湿度梯度作用下天然气泄漏扩散浓度场研究

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我国城市燃气事业飞速发展,一方面拉动了经济的快速增长,提高了居民的生活质量,减少了环境污染;另一方面越来越多的燃气事故的发生也给居民的生命财产带来巨大的损失,这也成为燃气行业最为关切的焦点和重点。泄漏扩散的影响因素较多,基础理论及推导过程较为复杂。影响燃气泄漏扩散的气象因素主要包括:温度、湿度、风速等。由于燃气的使用时间较短,其相关研究起步也较晚,国内外直接针对燃气泄漏扩散影响因素的研究成果少有报道。文章对天然气管道及泄漏过程进行合理的假设和简化分析,以三维湍流模型为基础,采用CFD流体力学软件Fluent对建筑物群外空间天然气连续泄漏源的扩散进行了数值模拟,对比分析了环境温度、湿度对天然气扩散的影响及浓度场的变化规律。结果表明随着环境温度的增加,在垂直和水平方向上,天然气扩散的速率增加,天然气在水平和垂直面的扩散区域面积逐渐增加。随着环境相对湿度的增加,天然气在竖直方向扩散速率逐渐减缓,但天然气在水平方向扩散速率逐渐加快,故此也有在垂直面上扩散面积有所降低,而在水平面的影响面积逐渐增加。大多数研究都集中在风速、障碍物和温度对于污染物的扩散影响,往往忽略了大气湿度变化对于扩散的影响;而实际的观测结果能够体现大气湿度变化对于气体污染物和颗粒污染物扩散的具体影响,却没有理论模型的支持。为了分析湿度对于天然气扩散的影响,文章从宏观角度分析温度梯度、浓度梯度,湿度梯度中的自然对流机理,有梯度的物理场将引起物质流,必然引起组分气体扩散。再从菲克定律入手,引入三大方程和理想气体状态方程,在没有温度梯度的作用下将作用力分为浓度梯度引起的浓度梯度力和由密度差引起的浮升力,推导浓度梯度对扩散作用的理论依据,将理论公式拆分成几部分,详细分析浓度梯度力(压力梯度作用)项对天然气扩散的影响的内在机理;结合物理知识,推出了在不同相对湿度的情况下,污染气体的密度浮升力。最后简化模拟,只突出湿度因素,通过Fluent,模拟天然气在不同水蒸气含量的空气中的扩散。对模拟结果进行横向分析,验证理论分析的正确性。本文的结构是一个提出问题,理论解决问题,模拟验证结论的一个过程,从基本的菲克定律出发,主要分析了湿度因素对燃气泄漏扩散的作用,分析得到的规律为天然气在复杂气象条件下泄漏扩散提供理论依据和参考。
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