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管道泄漏后天然气在土壤中扩散过程的研究

晏玉婷  
【摘要】:天然气是一种易燃易爆气体,一旦泄漏,将导致重大人员伤亡和经济损失。天然气泄漏事故防控中,尽快确定泄漏点位置是关键,因此研究天然气在土壤中扩散规律有重要意义。本文针对管道泄漏后天然气在土壤中的扩散问题进行了理论分析、实验研究和数值模拟。对比已有多组分气体在多孔介质中的扩散模型与文献中实验结果,发现尘气模型(DGM)可以更精确地描述多孔介质中多组分气体的输运过程。针对CH_4/O_2/N_2三元混合气体在不同孔径的多孔介质内扩散过程中进行了数值模拟,对比了气体在干燥和含水非饱和多孔介质中的扩散过程,分析了扩散与对流两种机理在有无总压差下对扩散通量的影响。计算结果表明在无压差的扩散过程中也存在对流;气体的扩散速度随孔径的减小先增加后减小;压差和孔径对扩散机理有重要影响。建立了埋地天然气管道发生小孔泄漏时的全尺度实验系统,实时监测了土壤中不同位置甲烷浓度随时间变化规律,获得了气体在土壤中扩散的时空迁移规律。基于实验结果,分析了泄漏流量、泄漏方向对天然气扩散规律的影响。实验结果表明泄漏流量越大,系统越易于达到稳定;稳态时管道下方的甲烷浓度比管道上方点的浓度高,离地表近的点扩散速率较大;管道下方的浓度在除向下泄漏方向外基本相同,而管道上方气体浓度对四个泄漏方向都很敏感。为了获得全尺度实验介质的参数,搭建了甲烷-空气在土壤中扩散系数测量实验台,连续测量了混合气体中的甲烷浓度,推导了实验数学模型的解析解和近似解。采用解析解和近似解拟合实验数据获得有效扩散系数,并分析了解析解拟合值与近似解结果。利用Micro-CT对实验土壤进行断层扫描,通过三维可视化软件获得了孔隙结构并提取连通孔隙进行了渗透率计算。采用多物理场耦合方法对全尺度实验场景下天然气扩散过程进行了数值模拟,并与实验结果对比分析,验证了所建立模型的合理性。对不同泄漏方向、压力和土壤结构条件下泄漏气体扩散至大气中的流量进行了模拟分析,发现向上泄漏和均匀土壤结构时扩散至大气中的流量最大,随机孔隙结构对浓度场和流量的影响不大,但水平非均匀和垂直非均匀土壤结构下气体扩散流量均相比较小。泄漏点附近气体迁移主要以对流为主,在地表附近则以扩散为主;压力越大,对流在整个扩散区域内主导作用越明显;表面对流传质系数对土壤中气体迁移几乎没有影响。


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