引言我国北方大部分地区的农村采用蜂窝煤和散煤取暖，煤炭燃烧会产生污染物。“煤改气”工程能够减少二氧化碳和有毒气体排放。农村房屋建筑结构不完全一致，架空管铺设过程中，大部分沿墙体架设，部分管道距离窗户非常近[1]。架空管的材料多使用钢管，管道暴露在室外，经过高温降雨等天气的影响，管道会被腐蚀，产生安全隐患；架空管支护不牢固时，存在倒塌的风险；长距离管线支座沉降易导致管道变形[2-4]。目前，架空管燃气发生泄漏后，不同自然条件下的危险程度和燃气扩散规律并不明确。因此，采用Fluent软件对北方某农村建筑建立模型，探究不同条件下管道泄漏对房屋的影响，分析不同风速和泄漏时间下燃气的分布规律，划定燃气泄漏后的爆炸危险区。1物理模型1.1几何模型以我国北方某农村街道为研究对象，建立建筑模型，农村建筑大多为一层。选择农村普通房屋户型，房屋共有5间，为三室一厅一厨房建筑，房屋户型如图1所示。创建三维房屋物理模型，如图2所示。两个卧室各有一个窗户，客厅有一个门，厨房有一个门和一个窗，临街房间外墙有两个窗户，窗户以推拉的方式开启，窗台距离地面2.2 m，窗户尺寸为1.5 m×0.6 m，房屋高度取平均高度3.2 m。燃气管道铺设在房屋外墙的两个窗口下方。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.019.F001图1房屋户型（单位：mm）10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.019.F002图2三维房屋物理模型建立房屋模型时，为了简化物理模型，降低网格划分的复杂程度和数量，忽略了房屋内的各种装饰和物品[5]。根据《农村煤改气通用技术要求》，燃气管道不得从建筑物和大型构筑物下方穿越，因此沿街铺设架空管；架空管沿着建筑耐火等级不低于二级的住宅外墙、永久性围墙及地支撑架空铺设；架空高度不低于2.2 m，架空管与住宅、门、窗的净距不小于0.5 m（中压）或0.3 m（低压）。文中架空管选用低压DN40镀锌钢管，外径47 mm，管道壁厚3.5 mm。通过实际测量，沿建筑外墙支撑铺设的架空管离地坪高度为2.2 m，距离窗户0.3 m。假设燃气泄漏口位于窗户下方正中央，使用数值模拟前处理软件Gambit建立管道泄漏模型。模拟燃气管道的泄漏工况时，将泄漏口简化成直径与管道相同的圆形泄漏口，管道泄漏口在管道上方，直径为40 mm，燃气管道为低压燃气管道，泄漏压力为5 000 Pa。1.2网格划分数值模拟计算结果的准确性与网格质量有关。文中使用Gambit软件建立模型，同时进行网格划分，选用四面体网格对物理模型进行划分，在计算域内采用非结构化网格对泄漏点局部进行网格加密。通过多次的数值计算，考虑多方面的网格因素，最后确定网格数量为665 647。2数学模型架空管泄漏时，天然气流入大气空间，管道内的气体压力大于大气压力，天然气向管道外高速泄漏，可以看作是自由射流。因为管道内压力远大于大气压力，泄漏口的当量直径小，泄漏速度非常大，为紊流。天然气泄漏后与大气混合，动量减小，与空气发生动能交换，管道泄漏后天然气与周围空气混合时整体动量守恒[6]。将天然气视为可压缩理想流体，使用有限体积法计算可压流场的N-S方程。湍流方程使用标准k-ε模型，采用Simple算法求解计算。假设燃气泄漏过程为压力不变的持续泄漏，泄漏只与空气发生组分传递，无热量交换。连续性微分方程（1）[7]为：∂ρ∂t+∂ρu∂x+∂ρv∂y+∂ρw∂z=0 (1)式中：ρ——流体密度，kg/m³；t——时间，s；u——x方向的流速分量，m/s；v——y方向的流速分量，m/s；w——z方向的流速分量，m/s。流体运动方程的扩散动量守恒微分式[7]为：∂u∂t+u∂u∂x+v∂u∂y+w∂u∂z=fx+1ρ∂Pxx∂x+∂Pyz∂y+∂Pzx∂z∂u∂t+u∂u∂x+v∂u∂y+w∂u∂z=fy+1ρ∂Pxy∂x+∂Pyy∂y+∂Pzy∂z∂u∂t+u∂u∂x+v∂u∂y+w∂u∂z=fz+1ρ∂Pxz∂x+∂Pyz∂y+∂Pzz∂z (2)式中：P——应力张量，Pa；f——质量力，N/kg。根据能量守恒定律得出能量方程[7]。dedt=-Pρ∇gW+ϕ+1ρ∂∂xiλ∂T∂xi (3)式中：e——内能，J；g——重力加速度，m/s2；W——流速，m/s；ϕ——耗散系数；λ——导温系数；T——温度，K。耗散系数ϕ是由于摩擦而耗散的能量[7]。ϕ=1ρμ'-23λ∇·W2+2ρμεijεij (4)文中模拟的是天然气泄漏到空气中，因此引入组分传递方程，如式(5)[7]所示。∂ρw∂t+∂∂xjρμjw=∂∂xjμi∂κ∂xj (5)式中：κ——组分质量分数。3模拟分析3.1边界条件管道破损后，天然气从泄漏孔射出并与空气剧烈掺混，其流动可以看作湍流，使用k-ε模型[8]。燃气泄漏为扩散分布，不考虑发生爆炸的情况，未发生化学变化。天然气管道泄漏可以看作是甲烷泄漏，爆炸极限为5%~10%[9]。由于流体出口与大气连接，出口速度不易获得，将出口设置为压力出口，流体进口为压力进口。管道泄漏口为interior边界，管道壁面设置为wall边界；流体温度取300 K，重力加速度取9.8 m/s²。入口气体为纯甲烷。环境温度为300 K，环境压力为101.325 kPa[10]。模拟时不将墙壁设置为wall，不考虑传质和传热问题，使用默认设置。亚松弛因子取值[11-12]如表1所示。室内的初始甲烷体积分数为0，设置迭代时长，开始计算。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.019.T001表1亚松弛因子取值项目亚松弛因子值压力0.3密度1.0体积力1.0动量0.7湍流动能0.8湍流耗散率0.8湍流黏度1.0甲烷1.0能量1.03.2模拟方案天然气泄漏方向垂直地面向上，模拟工况参数如表2所示。分析泄漏时间（60 s、300 s和600 s）、风速对天然气泄漏扩散的影响[10]。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.019.T002表2模拟工况参数工况风向风速/(m/s)1无02沿墙壁54模拟结果与分析4.1无风工况无风工况下泄漏60 s、300 s和600 s时甲烷的体积分数分布如图3~图5所示。甲烷密度低于空气密度，向上扩散，少量甲烷气体扩散到室内，室内甲烷体积分数为1%~5%，低于爆炸下限。随着时间变化，射流高度无太大变化，室内的甲烷浓度变化不大。泄漏300 s和600 s时，甲烷向上射流，泄漏口处甲烷浓度分布变化不大，扩散范围无明显变化，只有少量的甲烷进入室内，室内区域甲烷体积分数远小于5%，未达到爆炸下限。因为甲烷密度小于空气，从管道向外喷射流入无限空间中无限制，甲烷快速向高空放散，不会在低处聚集，低空处危险区域相对较小。图3无风工况下泄漏60 s时甲烷的体积分数分布10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.019.F3a110.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.019.F3a2图4无风工况下泄漏300 s时甲烷的体积分数分布10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.019.F4a110.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.019.F4a2图5无风工况下泄漏600 s时甲烷的体积分数分布10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.019.F5a110.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.019.F5a24.2有风工况有风工况下泄漏60 s时甲烷的体积分数分布如图6所示。与无风工况相比，有风工况下甲烷竖直方向的射流高度明显降低，浓度梯度变化明显；甲烷水平方向的扩散范围更大；下风侧燃气爆炸极限范围(5%~10%)区域增大。室内甲烷体积分数为1%~5%，风速降低了竖直方向的燃气爆炸范围，增大了下风侧燃气爆炸极限范围。图6有风工况下泄漏60 s时甲烷的体积分数分布10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.019.F6a110.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.019.F6a2有风工况下泄漏300 s时甲烷的体积分数分布如图7所示。在风速的影响下，竖直方向甲烷的射流高度明显降低，浓度梯度变化慢；水平方向甲烷的扩散范围逐渐扩大。在下风侧，风速进一步扩大了燃气爆炸极限范围(5%~10%)。室内甲烷体积分数仍小于5%，低于爆炸极限，但是室外爆炸极限范围的危险区域不断扩大。图7有风工况下泄漏300 s时甲烷的体积分数分布10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.019.F7a110.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.019.F7a2有风工况下泄漏600 s时甲烷的体积分数分布如图8所示。z=1.75 m处，随着泄漏时间变化，燃气爆炸极限范围越来越大；x=0.30 m处，沿风向方向甲烷的扩散范围逐渐扩大。在下风侧，风速扩大燃气爆炸极限范围(5%~10%)的程度加剧。y=-2.6 m处，室内燃气体积分数已经达到爆炸极限5%，室内爆炸极限的危险区域正逐步扩大。图8有风工况下泄漏600 s时甲烷的体积分数分布10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.019.F8a110.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.019.F8a25结语根据农村建筑结构形式和管道架空位置，建立农村架空管泄漏数学模型，考虑燃气泄漏时间、风速等因素，研究架空管泄漏时燃气扩散的爆炸危险范围变化，得出如下结论：越靠近泄漏口位置，气体流速越快，甲烷浓度越高，但随着喷射距离变大，气体流速和甲烷浓度迅速下降。无风时，随着时间的变化，甲烷快速向高空扩散，在低处不会聚集，低空保持稳定的低浓度状态，浓度变化不明显，危险区域相对较小。有风时，风速使竖直方向上燃气射流高度降低，浓度梯度变化减小。随着时间的变化，下风侧甲烷扩散范围不断加大，低空爆炸极限区域不断加大，危害性不断加强。燃气泄漏600 s时室内燃气体积分数已经达到爆炸极限5%，且室内爆炸极限的危险区域正逐渐扩大。