Urban Lifeline（城市生命线 / UBLL）是由东南大学主办的开放获取国际学术期刊。本期推荐文章为“Research on the mechanism and prediction model of gas leakage and diffusion from shallow-buried natural gas pipelines”，该文章已在全球学术出版机构Springer Nature在线平台正式上线。
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论文标题
Research on the mechanism and prediction model of gas leakage and diffusion from shallow-buried natural gas pipelines
浅埋天然气管道气体泄漏与扩散机制及预测模型研究
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作者信息
Chengjun Yue
Engineering Research Center of Safety and Protection of Explosion & Impact of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 211189, China
Ping Lu
State Key Laboratory of Mobile Network and Mobile Multimedia Technology, Shenzhen 518055, China;
ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China
Jinjin Zhu
Engineering Research Center of Safety and Protection of Explosion & Impact of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 211189, China
Shaokun Guan
Engineering Research Center of Safety and Protection of Explosion & Impact of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 211189, China
Kun Yang
State Key Laboratory of Mobile Network and Mobile Multimedia Technology, Shenzhen 518055, China;
ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China
Yan Xu
State Key Laboratory of Mobile Network and Mobile Multimedia Technology, Shenzhen 518055, China;
ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China
Li Chen
Engineering Research Center of Safety and Protection of Explosion & Impact of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 211189, China
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关键词
Gas pipeline leakage 天然气管道泄漏
Soil resistance coefficient 土壤阻力系数
Shallow-buried 浅埋
Diffusion 扩散
Methane concentration 甲烷浓度
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文章摘要
燃气管线作为城市生命线工程的重要组成部分，一旦发生泄漏事故，将对社会与民众生命财产安全造成严重威胁。为了深入探讨管道气体泄漏后在土壤中的扩散机制，本文采用计算流体动力学（CFD）方法，建立了土壤中天然气扩散数值模型，讨论了管道压力、埋深、泄漏方向和土壤阻力系数等因素对气体扩散的影响。计算结果表明，本文建立的数值模型能够准确预测天然气在砂土、壤土和粘土中的扩散过程。管道埋深影响影响燃气扩散到地面的速度，但对气体浓度分布范围的影响则相对较小。不同管道运行压力下的扩散过程表现出高度相似性，同时管道压力对扩散范围也有显著影响。土壤中泄漏气体的分布形态受到土壤阻力、泄漏方向和空气浮力的共同作用。为了进一步提高模型的准确性，本研究在已有的天然气扩散模型基础上引入了两个时间相关的浓度调节参数，经验证建立的扩散模型计算结果与数值结果的平均误差在10%以内，充分证明了新模型的有效性和可靠性。
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文章介绍
研究背景
天然气作为一种高效环保的清洁能源，在多个行业及领域中得到了广泛的应用。自2001年以来，中国的天然气消费量显著增加，埋地管道的长度也随之增加。然而，由于天然气管道老化、施工不规范和交通振动等多重因素的影响，埋地天然气管道泄漏事故时有发生。天然气通过土壤、沟渠和沙井等多种途径扩散，给周边居民和基础设施带来严重威胁。因此，深入研究天然气在土壤中的泄漏和扩散规律，对于准确评估泄漏影响、识别潜在风险区域以及制定有效的天然气泄漏应急预案具有重要意义。
研究问题
现有研究在揭示气体泄漏和扩散机制方面存在一定的局限性，尤其是考虑到土壤的多孔性和多相性时。传统的泄漏模型往往不能充分反映土壤对气体扩散的影响。因此，本研究采用计算流体动力学（CFD）方法，建立了精细化埋地管道小孔泄漏数值模型，以探讨不同操作压力、埋深、泄漏方向以及土壤阻力系数对天然气扩散的影响，并基于分析结果提出了埋地管道气体泄漏扩散的预测模型。
研究方法
步骤1：构建精细化数值模型
本研究采用计算流体动力学（CFD）方法，借助FLUENT软件构建了精细化三维数值模型，以模拟浅埋天然气管道泄漏后天然气在土壤中的扩散机制。模型的几何参数基于以往的试验数据，土壤区域尺寸为6米×6米×3米。管道沿Z轴水平布置，漏孔位于管道中点，孔径0.2米，距离土壤表面1.1米。为了确保模型的准确性，本研究考虑了土壤的多孔性和阻力特性，并根据不同的土壤类型（如砂土、壤土和粘土）设置相应的阻力系数。图1为几何模型示意图。
图1 几何模型示意图
(a) 埋地管道截面示意图 (b) 埋地管道实景图 (c) 埋地管道三维图
步骤2：仿真模拟与验证
在模拟过程中，本研究考虑了管道运行压力、埋深、泄漏方向和土壤阻力系数等关键参数，并设定了多种计算工况。为了在数值模拟过程中观察和分析气体泄漏及其扩散行为，在泄漏孔正上方设计了监测平面，并在距离地面0.2米处设置了附加监测线，以便于观察气体浓度的变化。在边界条件方面，将管道壁设为壁面，将地面设为压力出口，并将土壤周边边界设为对称边界，以模拟真实的泄漏情况。图2为监测方案布局示意图。通过对比数值模拟结果与现有试验结果，验证了数值模型的有效性（图3）。作者通过对管道运行压力、埋深、泄漏方向和土壤阻力系数等关键参数的设置，开展了变量参数的讨论，并依据试验结果深入研究了参数对天然气扩散的影响规律。
图2 监测方案布局示意图
(a) 泄漏口处的平面监测线 (b) 距离地面0.2米处的平面监测线
图3 数值模型有效性验证
(a) 实验设置 (b) 测量点布置 (c) 测量点1和2 (d) 测量点9
步骤3：甲烷浓度预测模型的建立与验证
为建立浓度预测模型，本研究在现有模型中引入了与浓度相关的时间因子，并新增了两个时间相关的控制参数：α（峰值浓度调节参数）和β（浓度扩散范围调节参数）。基于数值模拟结果，利用Levenberg–Marquardt优化算法对α和β进行校准。通过分析α、β与时间参数t的关系（图4），推导出其数学表达式，定量描述了二者随时间的动态变化规律，为土壤中气体扩散预测提供了更精确的动态模型。
作者通过壤土的数值模拟验证了模型的准确性。将不同管道压力下的天然气浓度分布与扩散模型的预测结果进行了对比（图 5）。结果显示，本研究构建的浓度预测模型能够有效描述天然气在壤土中的扩散过程，具有较高的可靠度和准确性。
图4 参数拟合结果
(a) α 与 t 的关系曲线 (b) β 与 t 的关系曲线
图5 扩散模型验证结果
(a) Case 2, t=240 s (b) Case 2, t=720 s (c) Case 3, t=480 s (d) Case 3, t=1200 s (e) Case 4, t=240 s (f) Case 4, t=960 s (g) Case 5, t=720 s (h) Case 5, t=1200 s (i) Case 6, t=240 s (j) Case 6, t=960 s
研究结论与贡献
本研究聚焦于天然气管道泄漏后的扩散模式，利用FLUENT软件构建了精细化数值模型，模拟天然气在土壤中泄漏和扩散的过程。作者深入探讨了管道运行压力、埋深、泄漏方向和土壤阻力系数四个关键参数对气体扩散的影响，并在现有土壤扩散模型中创新性地引入两个时变控制参数，进而建立了新的浓度预测模型。主要研究成果如下：
1.三维数值模型的构建与验证：建立了埋地管道小孔泄漏的三维数值模型，该模型能够准确模拟天然气在砂土、壤土和粘土三种土壤中的扩散过程。通过与已有试验结果对比可知，数值计算结果与试验结果高度吻合，充分验证了模型的可靠性和准确性。
2.埋深与扩散关系的分析：管道埋深影响燃气扩散到地面的速度，但并不影响浓度分布范围。在相同土壤条件下，不同管道运行压力下气体的扩散过程相似，管道压力则对扩散范围具有显著影响。此外，气云扩散形态受土壤阻力、泄漏方向和空气浮力等因素的影响。
3.浓度调整参数的引入与模型优化：基于现有的天然气扩散模型，作者引入了两个与时间相关的浓度调节参数。通过数值计算结果拟合了调节参数与时间的关系，从而建立了新的天然气在土壤中的扩散模型。经验证，该模型的计算结果与数值结果的平均偏差在10%以内，展现了良好的预测精度和实用性。
引用格式：
Yue, C., Lu, P., Zhu, J. et al. Research on the mechanism and prediction model of gas leakage and diffusion from shallow-buried natural gas pipelines. Urban Lifeline 2, 22 (2024). https://doi.org/10.1007/s44285-024-00032-1
