李延豪，侯磊，于巧燕，柴沖，肖開(kāi)喜

淺海天然氣管道泄漏擴(kuò)散過(guò)程模擬研究

李延豪1,2，侯磊1,2，于巧燕1,2，柴沖1,2，肖開(kāi)喜1,2

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京） 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249； 2.中國(guó)石油大學(xué)（北京） 油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京，102249）

為評(píng)價(jià)淺海海底天然氣管道泄漏事故后果，根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)與多相流動(dòng)理論，針對(duì)國(guó)外某天然氣管道海峽穿越段，建立淺海海底管道泄漏擴(kuò)散過(guò)程的計(jì)算模型。將泄漏孔徑、泄漏速率、水流速度3個(gè)主要影響因素作為條件變量，模擬不同情況下的氣液兩相運(yùn)動(dòng)過(guò)程。結(jié)果表明，水下氣體擴(kuò)散分為三個(gè)階段，即泄漏口上方形成氣團(tuán)、氣團(tuán)呈蘑菇狀上升、氣團(tuán)由大氣泡分裂為小氣泡；泄漏孔徑和泄漏速率對(duì)水下氣體擴(kuò)散到水面的時(shí)間具有顯著影響，泄漏孔徑與泄漏速率越大，氣體泄漏量越大；氣體泄漏量越大，水下氣團(tuán)體積越大，到達(dá)水面的時(shí)間越短；水流速度顯著影響氣體的擴(kuò)散軌跡，水流速度越大，氣體運(yùn)動(dòng)軌跡與海底的夾角越小，沿海流方向擴(kuò)散的距離越遠(yuǎn)。研究結(jié)果可為水下天然氣管道泄漏事故應(yīng)急處理提供一定的科學(xué)指導(dǎo)。

海底管道； 氣體泄漏； 多相流動(dòng)； 計(jì)算流體力學(xué)

海底管道具有輸量大、效率高的優(yōu)點(diǎn)，是海上油氣最主要的輸送方式。不同于陸上埋地管道，海底管道每時(shí)每刻都遭受著海流的沖刷及海底地震、臺(tái)風(fēng)等自然條件的威脅，加之海水腐蝕、第三方破壞等因素，海底管道的安全性和完整性面臨巨大的考驗(yàn)[1]。海底天然氣管道一旦發(fā)生泄漏，其擴(kuò)散至海面的可燃?xì)怏w有可能導(dǎo)致爆炸、火災(zāi)等重大事故，嚴(yán)重威脅海上工作人員和生產(chǎn)設(shè)施的安全[2]。因此，掌握海底管道天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律，確定氣液兩相在不同環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)分布，對(duì)海底天然氣管道的風(fēng)險(xiǎn)防范管控及事故應(yīng)急處理具有重要意義。

目前，關(guān)于水下氣體泄漏擴(kuò)散的研究多基于氣泡羽流理論[3?5]。國(guó)內(nèi)學(xué)者多數(shù)以氣泡羽流理論模型為參考，運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行仿真，并輔以一定的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)已有的研究成果進(jìn)行重現(xiàn)及進(jìn)一步完善。景海泳等[6]采用VOF多相流模型和DPM離散相模型耦合的方式進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了氣泡粒子的擴(kuò)散半徑和軸向位移，但模擬氣體的泄漏量較小，沒(méi)有考慮到水流速度對(duì)水中氣泡運(yùn)動(dòng)的影響，也未考慮水下氣體的可壓縮性。文闖等[7]采用VOF多相流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮了水下泄漏氣體的可壓縮性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，但是仍以靜水條件作為模擬設(shè)置，不符合海底管道實(shí)際工作環(huán)境的特點(diǎn)。竇梓元[8]在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，通過(guò)無(wú)量綱分析得出泄漏氣體的上浮時(shí)間、水平遷移距離與管道壓力、水流速度、泄漏孔徑的無(wú)量綱關(guān)系。李新宏等[9]對(duì)水下氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤求解，并以水下氣體擴(kuò)散結(jié)果作為依據(jù)，分析了天然氣在大氣中的擴(kuò)散。王少雄等[10]通過(guò)建立三維CFD模型和積分?jǐn)?shù)學(xué)模型，研究了水下輸氣管道泄漏擴(kuò)散特性，并對(duì)兩種模型預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了對(duì)比評(píng)估。綜上所述，國(guó)內(nèi)已有研究對(duì)不同條件下天然氣管道泄漏氣體運(yùn)動(dòng)分布規(guī)律的多因素分析仍不完善。因此，針對(duì)國(guó)外某天然氣管道海峽穿越段，本研究以泄漏口孔徑、泄漏速率和水流速度為變量，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)水下泄漏擴(kuò)散氣體的時(shí)空分布進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，分析不同條件下淺海海底管道泄漏氣體的擴(kuò)散規(guī)律。

1 海底天然氣管道泄漏擴(kuò)散理論模型

1.1 基本控制方程

流體流動(dòng)遵循質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律，對(duì)這3個(gè)守恒方程進(jìn)行整合，其表達(dá)式如式（1）所示[11]。

1.2 湍流模型

選用標(biāo)準(zhǔn)?湍流模型對(duì)氣液兩相運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行求解，其輸運(yùn)方程為[12]：

1.3 VOF模型

VOF多相流模型在歐拉坐標(biāo)系下，通過(guò)求解基本控制方程及每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的流體體積分?jǐn)?shù)來(lái)進(jìn)行相間流體的表面跟蹤[13]。

每個(gè)單元的流體體積分?jǐn)?shù)F[14]：

式中，為相，取1或2；F=0為單元內(nèi)無(wú)該相流體；0<F<1為單元內(nèi)既存在該相流體又存在其他相流體；F=1為單元內(nèi)充滿(mǎn)該相流體。

F滿(mǎn)足如下輸運(yùn)方程：

式中，、分別為流體在和方向的流動(dòng)速度，m/s。

2 淺海天然氣管道泄漏擴(kuò)散仿真模型

2.1 網(wǎng)格模型

以國(guó)外某天然氣管道海峽穿越段為研究對(duì)象，該輸氣管道管徑為1 016 mm，輸送壓力為9.8 MPa。為了簡(jiǎn)化數(shù)值模型，取實(shí)際工程穿越段的最大水深22 m作為管道數(shù)值模型的水深，忽略海底地形因素的影響。受水體運(yùn)動(dòng)的影響，泄漏氣體在沿海流方向具有水平最大擴(kuò)散距離，因此選取沿海流方向的垂直切面為研究平面。根據(jù)預(yù)先模擬結(jié)果，在22 m水深條件下泄漏氣體上浮到水面的過(guò)程中，沿海流方向的最大擴(kuò)散距離不超過(guò)30 m，最終選擇長(zhǎng)40 m、寬22 m的矩形建立二維幾何模型，泄漏孔位于模型底部距離左側(cè)10 m處（見(jiàn)圖1）。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，相比于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，整個(gè)數(shù)值模型的網(wǎng)格數(shù)量更少，更有利于計(jì)算結(jié)果的收斂[15]?？紤]到泄漏口處氣體與水體的相互摻混屬于劇烈、復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng)，對(duì)泄漏口及氣泡擴(kuò)散區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)化加密以防止計(jì)算結(jié)果發(fā)散。

圖1　二維網(wǎng)格模型

2.2 邊界條件設(shè)置

計(jì)算域底部的氣體泄漏口設(shè)置為速度入口，底部其余邊界設(shè)置為無(wú)滑移的壁面。頂部邊界作為水的自由表面，設(shè)置為自由出流邊界。在靜水條件時(shí)，計(jì)算域左右兩側(cè)邊界均設(shè)置為自由出流；考慮水流速度對(duì)氣體擴(kuò)散的影響，計(jì)算域左側(cè)采用速度入口，通過(guò)UDF函數(shù)定義水流速度隨深度的變化規(guī)律，計(jì)算域右側(cè)仍采用自由出流邊界。

2.3 條件變量設(shè)置

以國(guó)外某天然氣管道海峽穿越段重現(xiàn)期1年的海流速度作為實(shí)際水流速度（見(jiàn)表1），擬合出水流速度隨水深變化的公式（見(jiàn)式（7））：

式中，v為距海底高度處的海流流速，m/s；為距海底的高度，m。

以靜水條件和實(shí)際水面流速的2倍（2.72 m/s）設(shè)置對(duì)照組。2倍水面流速情況下不同深度的水流速度按式（8）求得[20]：

式中，v為海面流速，m/s；為水深，m。

表1　不同深度處的海流速度

根據(jù)不同的泄漏孔徑、泄漏速率和水流速度，設(shè)置多組模擬工況進(jìn)行計(jì)算，詳細(xì)條件變量設(shè)置如表2所示。

表2　條件變量設(shè)置

2.4 求解器設(shè)置

選用非穩(wěn)態(tài)壓力基求解器，采用雙精度模式提高計(jì)算結(jié)果的精確性。操作條件中勾選重力選項(xiàng)，考慮重力對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的影響，選取VOF多相流模型和標(biāo)準(zhǔn)湍流模型作為基本計(jì)算模型，運(yùn)用VOF模型中的隱式體積力公式，提高迭代計(jì)算的穩(wěn)定性[21]。選擇PISO算法作為求解器的壓力?速度耦合方式，相比其他類(lèi)型的非穩(wěn)態(tài)求解算法，PISO的殘差收斂更穩(wěn)定，求解速度更快[22?24]。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 水下擴(kuò)散過(guò)程分析

對(duì)國(guó)外某天然氣管道海峽穿越段的實(shí)際情況進(jìn)行探討，即泄漏孔徑60 mm，泄漏速率260 m/s，水流速度為實(shí)際海流速度。

不同時(shí)刻氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，在泄漏初始階段，天然氣在管道內(nèi)壓的作用下從泄漏口噴射進(jìn)海水中，高速氣體因海水的阻礙在泄漏口上方急劇減慢，被海水包裹形成氣團(tuán)。氣團(tuán)中心部分天然氣上升較快，兩側(cè)因回流作用上升較慢，導(dǎo)致氣團(tuán)呈現(xiàn)蘑菇狀（見(jiàn)圖2（a）），并在海流的作用下開(kāi)始往右偏移。隨著泄漏的進(jìn)行，后續(xù)的泄漏氣體不斷地對(duì)上方的氣團(tuán)進(jìn)行動(dòng)能和體積的補(bǔ)充，在浮力的作用和下方氣體的推動(dòng)下，氣團(tuán)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，體積也緩慢變大，強(qiáng)烈的湍流作用將蘑菇狀氣團(tuán)逐步分裂為多個(gè)塊狀氣團(tuán)（見(jiàn)圖2（b））。海水壓力的不斷降低使氣團(tuán)不再容易聚集，在氣液兩相之間不斷地摩擦和摻混下，塊狀氣團(tuán)分裂得越來(lái)越小，兩相間的相互滲透越來(lái)越強(qiáng)。氣團(tuán)的持續(xù)向上運(yùn)動(dòng)引起兩側(cè)海水的回流，使兩側(cè)的外部氣團(tuán)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中伴隨著一定程度的旋轉(zhuǎn)，氣體的擴(kuò)散范圍越來(lái)越大（見(jiàn)圖3）。此外，越往上運(yùn)移海流的速度越來(lái)越大，海流沖刷作用的增強(qiáng)使大氣泡進(jìn)一步分散成許多小氣泡，并進(jìn)行大范圍擴(kuò)散（見(jiàn)圖2（c））。泄漏發(fā)生5.5 s后，氣體上浮至水面，此時(shí)的水平最大擴(kuò)散距離約為20 m（見(jiàn)圖2（d））。經(jīng)對(duì)比可知，整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程的氣液兩相分布與氣泡羽流模型基本一致。

圖2　不同時(shí)刻氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖

圖3　4.6 s時(shí)泄漏氣體左右兩側(cè)水流流線

3.2 泄漏孔徑的影響

選取氣體泄漏速率為260 m/s、水流速度為實(shí)際海流速度，分別對(duì)10、30、60、80、100 mm孔徑下的氣體擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行模擬，結(jié)果見(jiàn)圖4。不同泄漏孔徑下氣泡上升高度隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖5。

圖4　泄漏孔徑不同時(shí)氣體擴(kuò)散至海面的氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖

圖5　不同泄漏孔徑下氣泡上升高度隨時(shí)間的變化

由圖4、5可知，泄漏孔徑為10、30 mm時(shí)，泄漏口處氣體以少量小氣團(tuán)和較多小氣泡的形式存在，小氣團(tuán)在向上擴(kuò)散的過(guò)程中又分裂為許多小氣泡。因泄漏量較少，下部氣團(tuán)對(duì)上方氣團(tuán)的補(bǔ)充不足，導(dǎo)致氣團(tuán)的體積小,從而受到的浮力小，上移速度較慢，最終分別于7.1、6.0 s時(shí)擴(kuò)散至海面；當(dāng)泄漏孔徑增大至60、80、100 mm時(shí)，由于泄漏量變大，氣體主要以大氣泡的形式存在，上浮過(guò)程中大氣泡與海水摻混逐步分裂出大量的小氣泡。因氣團(tuán)體積較大，引起的回流作用較為強(qiáng)烈，泄漏氣體的左右兩側(cè)氣泡出現(xiàn)了明顯的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，上部氣團(tuán)不斷受到下部氣團(tuán)動(dòng)能和體積的補(bǔ)充，導(dǎo)致氣體上移速度較快，分別于5.5、4.9、4.1 s時(shí)擴(kuò)散至海面。由圖5還可以看出，隨著泄漏孔徑的增大，氣泡上升得越快，到達(dá)水面的時(shí)間越短。

3.3 泄漏速率的影響

以實(shí)際海流速度建立流場(chǎng)，取60 mm泄漏孔徑，經(jīng)計(jì)算該管道天然氣的泄漏速率約為260 m/s，并以其0.25、0.50、0.75、1.25倍，即65、130、195、325 m/s設(shè)置對(duì)照組，對(duì)5種泄漏速率下的氣體擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行研究。不同泄漏速率下氣體擴(kuò)散至海面時(shí)氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖見(jiàn)圖6，氣泡上升高度隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖7。

圖6　不同泄漏速率下氣體擴(kuò)散至海面時(shí)氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖

由圖6、7可知，泄漏發(fā)生1.0 s時(shí)，相同孔徑下氣體泄漏速率越大，泄漏口上方的初始?xì)鈭F(tuán)體積越大，5種泄漏速率下的氣團(tuán)直徑分別為2.3、3.0、4.0、4.8、5.0 m。在水下擴(kuò)散的過(guò)程中，泄漏速率為65、130 m/s的氣體主要以小氣團(tuán)的形式存在，而泄漏速率為195、260、325 m/s的氣體均以塊狀氣團(tuán)和大氣泡的形式存在。泄漏速率越大，氣團(tuán)初始動(dòng)能越大，泄漏過(guò)程中上部氣團(tuán)受到下部氣團(tuán)動(dòng)能的補(bǔ)充越大；泄漏速率越大，氣體泄漏量越大，導(dǎo)致水中氣團(tuán)體積越大，受到浮力的作用也越大。同時(shí)，動(dòng)能和體積兩方面的影響使氣團(tuán)引起的回流作用更為強(qiáng)烈，泄漏氣體的左右兩側(cè)出現(xiàn)了明顯的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。隨著泄漏速率的增大，氣泡上升得越快，到達(dá)水面的時(shí)間越短，5種泄漏速率下的氣團(tuán)分別于7.0、5.8、5.7、5.5、4.5 s上升至海面。

圖7　泄漏速率不同時(shí)氣泡上升高度隨時(shí)間的變化

3.4 水流速度的影響

由于受不同季節(jié)海面風(fēng)向、洋流流向的變化以及海底地形的起伏等諸多因素的影響，實(shí)際的海洋流場(chǎng)較為復(fù)雜，只能對(duì)其簡(jiǎn)化進(jìn)行模擬。以60 mm泄漏孔徑和260 m/s泄漏速率為基準(zhǔn)，選取靜水條件、實(shí)際海流速度以及2倍水面流速進(jìn)行計(jì)算，對(duì)得到的海流速度場(chǎng)進(jìn)行模擬。圖8為不同水流速度下氣體擴(kuò)散至海面時(shí)氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖。

圖8　不同水流速度下氣體擴(kuò)散至海面時(shí)氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖

由圖8可知，由于靜水條件下的氣體在水中只受浮力的作用，水平方向的擴(kuò)散分布較為對(duì)稱(chēng)，最終以5.2 s上升至海平面，此時(shí)的水平最大擴(kuò)散距離約為22 m，單側(cè)氣體距泄漏口的最大水平距離約為10 m。在水流速度的影響下，氣體不僅受到浮力的作用，還受到左側(cè)水流的作用。由于實(shí)際工況下的水流速度較小，氣體所受浮力的影響大于左側(cè)水流的影響，氣體主要向上部空間擴(kuò)散，擴(kuò)散軌跡與海底的夾角較大。上部氣體最終以5.5 s上升至海平面，此時(shí)的水平最大擴(kuò)散距離為20 m，最右側(cè)氣體水平運(yùn)動(dòng)距離約為16 m。在水面流速為2倍的海流流場(chǎng)下，左側(cè)水流對(duì)氣體的推動(dòng)作用較強(qiáng)，主要向斜上方進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散軌跡與海底的夾角較小。氣體最終以5.2 s上升至海平面，此時(shí)的水平最大擴(kuò)散距離約為23 m，最右側(cè)氣體距泄漏口的水平最大距離約為22 m。根據(jù)3種水流速度下的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水流速度越大，氣體受水流的推動(dòng)作用越明顯，氣體運(yùn)動(dòng)軌跡與海底的夾角越小，沿海流方向的水平運(yùn)移距離越大，而氣體上升到水面的時(shí)間與水流速度并無(wú)明顯關(guān)系。

4 結(jié) 論

針對(duì)國(guó)外某天然氣管道海峽穿越段，根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)與多相流動(dòng)理論，建立淺海海底管道泄漏擴(kuò)散過(guò)程的計(jì)算模型。以泄漏孔徑、泄漏速率和水流速度為條件變量，運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

（1）分析不同時(shí)刻的氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖，發(fā)現(xiàn)水下氣體擴(kuò)散分為三個(gè)階段，即泄漏口上方形成氣團(tuán)、氣團(tuán)呈蘑菇狀上升、氣團(tuán)由大氣泡分裂為小氣泡，模擬結(jié)果與氣泡羽流模型的描述基本一致。

（2）分析各個(gè)對(duì)照組的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)泄漏孔徑和泄漏速率對(duì)水下氣體擴(kuò)散過(guò)程具有顯著影響。泄漏孔徑與泄漏速率越大，氣體泄漏量越大，上浮過(guò)程中的氣團(tuán)體積越大；氣團(tuán)體積越大，受浮力的作用越強(qiáng)，向上運(yùn)動(dòng)得越快，泄漏孔徑為100 mm時(shí)氣體上浮至水面僅需4.1 s。

（3）研究不同水流速度下的水下泄漏氣體擴(kuò)散軌跡，發(fā)現(xiàn)水流速度對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)的水平最大運(yùn)移距離起決定性作用。水流速度越大，氣體受水流的推動(dòng)作用越明顯，氣體運(yùn)動(dòng)軌跡與海底的夾角越小，沿海流方向的水平運(yùn)移距離越大。2倍水面流速條件下擴(kuò)散至海面的最右側(cè)氣體距泄漏口的水平最大距離可達(dá)22 m，擴(kuò)散距離最遠(yuǎn)。

［1］ 趙冬巖，余建星.海底管道完整性管理研究［J］.海洋技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，27（4）：71?74.

Zhao D Y，Yu J X.Study on submarine pipeline integrity management［J］.Ocean Technology，2008，27（4）：71?74.

［2］ 田輝.天然氣管道泄漏爆炸動(dòng)力效應(yīng)研究及危險(xiǎn)區(qū)域的劃分［D］.蕪湖：安徽理工大學(xué)，2012.

［3］ Trevor J M.Bubble plumes in stratified environments［J］.Journal of Fluid Mechanics，1978，85（4）：655?672.

［4］ Milgram J H.Mean flow in round bubble plumes［J］.Journal of Fluid Mechanics，1983，133（1）：345.

［5］ Riedl M J，F(xiàn)annel?p T K.Bubble plumes and their interaction with the water surface［J］.Applied Ocean Research，2000，22（2）：119?128.

［6］ 景海泳，余建星，杜尊峰，等.海底管道水下氣體擴(kuò)散FLUENT仿真分析［J］.海洋技術(shù)，2012，31（3）：82?85.

Jing H Y，Yu J X，Du Z F，et al.Analysis of underwater gas diffusion from piping based on FLUENT［J］.Ocean Technology，2012，31（3）：82?85.

［7］ 文闖，延斌，王憲全，等.海底管線天然氣泄漏過(guò)程數(shù)值模擬［J］.常州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，27（2）：72?77.

Wen C， Yan B，Wang X Q，et al.Numerical simulation of natural gas leakage in subsea pipelines［J］.Journal of Changzhou University（Natural Science Edition），2015，27（2）：72?77.

［8］ 竇梓元.水體中天然氣管道泄漏擴(kuò)散規(guī)律及后果分析［D］.成都：西南石油大學(xué)，2015.

［9］ 李新宏，陳國(guó)明，朱紅衛(wèi)，等.海底輸氣管道泄漏天然氣擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)研究［J］.石油科學(xué)通報(bào)，2016，1（3）：390?400.

Li X H，Chen G M，Zhu H W，et al.Research into the risk of natural gas spread from submarine natural gas pipeline leakage［J］.Petroleum Science Bulletin，2016，1（3）：390?400.

［10］ 王少雄，李玉星，劉翠偉，等.水下輸氣管道泄漏擴(kuò)散特性模擬研究［J］.化工學(xué)報(bào)，2020，71（4）：496?509.

Wang S X，Li Y X，Liu C W，et al.Numerical simulation on leakage and diffusion characteristics of underwater gas pipeline［J］.化工學(xué)報(bào)，2020，71（4）：496?509.

［11］ 王瑞金，張凱，王剛.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［12］ 熊莉芳，林源，李世武.湍流模型及其在FLUENT軟件中的應(yīng)用［J］.工業(yè)加熱，2007，36（4）：13?15.

Xiong L F，Lin Y，Li S W.turbulent model and its application to the FLUENT［J］.Industrial Heating，2007，36（4）：13?15.

［13］ 張健，方杰，范波芹.VOF方法理論與應(yīng)用綜述［J］.水利水電科技進(jìn)展，2005，25（2）：67?70.

Zhang J，F(xiàn)ang J，F(xiàn)an B Q.Advances in research of VOF method［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2005，25（2）：67?70.

［14］ 韓金珂.水下輸氣管道泄漏擴(kuò)散特性研究［D］.青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2018.

［15］ 王明強(qiáng)，朱永梅，劉文欣.有限元網(wǎng)格劃分方法應(yīng)用研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2004（1）：22?24.

Wang M Q，Zhu Y M，Liu W X.The research on finite element mesh generation method［J］.Machinery Design & Manufacture，2004（1）：22?24.

［16］ Sun Y，Cao X，Liang F，et al.Investigation on underwater gas leakage and dispersion behaviors based on coupled Eulerian?Lagrangian CFD model?ScienceDirect［J］.Process Safety and Environmental Protection，2020，136：268?279.

［17］ Zhang Y，Zhu J，Peng Y，et al.Experimental research of flow rate and diffusion behavior of nature gas leakage underwater［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2020，65：104?119.

［18］ 霍春勇，董玉華，余大濤，等.長(zhǎng)輸管線氣體泄漏率的計(jì)算方法研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2004，25（1）：101?105.

Huo C Y，Dong Y H，Yu D T，et al.Estimation of accidental gas release flow rate in long transmission pipelines［J］.Acta Petrolei Sinica，2004，25（1）：101?105.

［19］ 王大慶，霍春勇，高惠臨.長(zhǎng)輸管線氣體泄漏率簡(jiǎn)化計(jì)算方法［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（1）：116?118.

Wang D Q，Huo C Y，Gao H L.Simplified method for calculation long?distance pipeline leakage rate［J］.Natural Gas Industry，2008，28（1）：116?118.

［20］ 徐興平.海洋石油工程概論［M］.東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2007.

［21］ 朱約鈞.FLUENT 15.0流場(chǎng)分析實(shí)戰(zhàn)指南［M］.北京：人民郵電出版社，2015.

［22］ 王彤，谷傳綱，楊波，等.非定常流動(dòng)計(jì)算的PISO算法［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2003，18（2）：233?239.

Wang T，Gu C G，Yang B，et al.PISO algorithm for unsteady flow field［J］.Chinese Journal of Hydrodynamics，2003，18（2）：233?239.

［23］ 李遠(yuǎn)朋，范潮海，張茹.油田集輸管道體系區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法［J］.東北石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，43（6）：118?124.

Li Y P，F(xiàn)an C H，Zhang R，et al.Systematic regional risk assessment method for oil field gathering and transportation pipeline［J］.Journal of Northeast Petroleum University，2019，43（6）：118?124.

［24］ 何國(guó)璽，梁永圖，李巖松，等.埋地液烴管道泄漏擴(kuò)散及泄漏量測(cè)算研究進(jìn)展［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2017，36（1）：8?20.

He G X，Liang Y T，Li Y S，et al.Research progress of leakage diffusion and leakage volume calculation for buried liquid hydrocarbon pipeline［J］.Oil & Gas Storage and Transportation，2017，36（1）：8?20.

Simulation Study of Leakage and Diffusion of Shallow Subsea Natural Gas Pipeline

Li Yanhao1,2， Hou Lei1,2， Yu Qiaoyan1,2， Chai Chong1,2， Xiao Kaixi1,2

（1. College of Mechanical and Transportation Engineering， China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China；2. National Engineering Laboratory for Pipeline Safety， China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

To evaluate the consequences of leakage accidents of the shallow subsea natural gas pipeline, this paper builds a calculation model of the shallow subsea pipeline leakage and diffusion process in light of computational fluid dynamics and multiphase flow theories for the strait?crossing section of a natural gas pipeline abroad. Three main factors, leakage aperture, leakage rate, and water flow velocity, are selected as condition variables to simulate the motion process of the gas?liquid two?phase flow under different conditions. The results show that underwater gas diffusion can be divided into three stages: the formation of gas masses above the leakage hole, the mushroom?like rise of gas masses, and the splitting of gas masses from large bubbles into small ones. Leakage aperture and leakage rate have a significant effect on the time when the underwater gas diffuses to the water surface. A larger leakage aperture and a higher leakage rate lead to a larger gas leakage amount, which further results in larger volumes of underwater air masses and ultimately a shorter time for them to reach the water surface. Water flow velocity has a significant effect on gas diffusion trajectory. As water flow velocity increases, the angle between the gas trajectory and the seabed decreases, and the diffusion distance along the ocean current direction becomes longer. This study can provide scientific guidance for emergency treatment of underwater natural gas pipeline leakage accidents.

Submarine pipeline； Gas leakage； Multiphase flow； Computational fluid dynamics

TE88

A

10.3969/j.issn.1006?396X.2022.02.012

1006?396X（2022）02?0074?07

2021?03?08

2021?09?18

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司——中國(guó)石油大學(xué)(北京)戰(zhàn)略合作科技專(zhuān)項(xiàng)（ZLZX2020?05）。

李延豪（1996?），男，碩士研究生，從事管道完整性技術(shù)方面研究；E?mail：cup_lyh@163.com。

侯磊（1966?），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事油氣管道輸送技術(shù)方面研究；E?mail:houleicup@126.com。

（編輯 王戩麗）