液化气埋地储罐一旦发生泄漏事故,将威胁到人民生命、财产安全。研究液化气埋地储罐的泄漏渗流扩散过程及对周围区域造成的影响,对其事故的预测、控制、储罐周边区域的规划、保护人民生命财产安全等具有重要意义。 目前国内外极少有关于液化气埋地储罐在地下环境中泄漏渗流扩散的试验和三维动态仿真的研究报道,针对埋地储罐泄漏扩散事故的模拟主要还是采用地面储罐的事故数学模型,导致模拟结果与实际情况相差甚远。为此,本论文以液化气埋地储罐泄漏扩散仿真原理及应用研究为选题,主要开展了以下几个方面的研究工作： (1)分析液化气埋地储罐泄漏因素。对导致液化气埋地储罐泄漏的危害因素进行分析归类,提出了相应的防护措施；指出了埋地储罐易发生泄漏的位置,确定泄漏口常见几何形状类型,为进一步模拟液化气埋地储罐泄漏渗流扩散提供边界条件。 (2)研究液化气埋地储罐泄漏渗流扩散机理。建立了液化气埋地储罐泄漏渗流扩散的物理模型,定性分析粘滞力、重力、泄漏口与出口位置、渗透率、含水量等因素对液化气在渗流扩散的影响情况,为制定液化气埋地储罐泄漏事故的应急措施提供帮助。 (3)进行液化石油气泄漏渗流扩散试验。自行设计并构建液化石油气泄漏渗流扩散试验系统,进行了多组液化石油气气相、液相泄漏渗流扩散试验。研究液化石油气在不同物理特性的砂土介质中泄漏渗流时温度、压力、出口流量、出口浓度等物理量随时间、距离的变化趋势和规律,揭示液化石油气在地下多孔介质环境中渗流扩散规律,分析各因素对液化石油气渗流扩散的影响程度。 (4)建立液化气埋地储罐泄漏渗流扩散多相混合数学模型。基于液化气埋地储罐泄漏渗流扩散的物理模型和混合模型理论,建立了数学模型。该模型能模拟液化气在干砂、非饱和砂中单相、两相、三相流动。模型综合考虑了重力、粘滞力、多孔介质内部阻力、非达西效应、气液相之间的作用等影响因素；在Forchheimer方程基础上,推导出多相混合流的非达西流动方程,并将多相流非达西系数根据雷诺数变化进行相应的改变,可描述多相流体从非达西流动向达西流动的转变,能更准确描述液化气泄漏多相渗流过程,解决了目前国内外多相渗流模型只能单一模拟一种流动状态的不足。根据液化气不溶于水的特性,简化了组分方程,推导出液化气体积浓度计算式,提高模拟计算效率。 (5)进行液化石油气渗流扩散试验数值模拟。基于建立的数学模型,用C语言编制相对渗透系数、非达西系数、蒸发引起的质量、热量传输等附加源项、附加关系式程序,利用Fluent软件解算器,构建了一套液化气埋地储罐泄漏扩散仿真方法。利用该仿真方法对液化石油气在砂中渗流扩散试验进行数值模拟,分析砂土介质中non-Darcy流动区域、液化气饱和度、压力、温度等参数空间分布动态特征,并与试验数据进行对比分析,验证了该仿真方法模拟液化石油气在地下环境中渗流扩散过程的可行性。 (6)液化气埋地储罐典型泄漏事故动态模拟仿真。以某典型液化石油气加气站埋地储罐为对象,用液化气埋地储罐泄漏扩散仿真方法对埋地储罐气相、液相小孔泄漏渗流扩散过程进行了三维动态模拟。分析液化石油气饱和度、危险体积浓度、流速等参数的分布规律,液化石油气相变过程,流动发展趋势以及对外界环境的影响情况,确定对液化石油气渗流扩散影响较大的因素。 通过上述研究工作,构建了液化气埋地储罐泄漏扩散仿真方法,并通过了液化石油气气体、液体在不同物理特性的砂土介质中泄漏渗流扩散试验的验证,以期使该方法能够较全面的反映液化气渗流扩散的物理机制。通过利用该方法实现三维动态模拟,可预测或再现液化气埋地储罐泄漏渗流扩散过程。模拟结果能为液化气埋地储罐场地选取、周边区域规划和事故预防、预测、应急提供重要依据。