埋地输油管道泄漏污染物流动特性模拟研究

伍咏德

(大庆油田有限责任公司第九采油厂敖南采油作业区，黑龙江大庆 163000)

0 引言

埋地输油管道泄漏污染物在管道周围环境中的流动问题属于多孔介质内部流动问题，土壤就是一种典型的多孔介质，因此研究埋地输油管道泄漏污染物在多孔介质中的流动特性有助于对泄漏污染物进行检测和处理。

实验是研究该问题的重要方法，但进行埋地管道泄漏实验的成本过高，且在研究过程中许多参数难以控制，因此大多数学者都采用计算流体力学(CFD)的数值模拟方法进行研究。高华亮[1]等研究了数值模拟技术在内腐蚀损伤防护中的应用；何乐平[2]等采用Fluent软件建立了包含管沟的埋地输油管道泄漏三维仿真模型,模拟特定事故场景下的泄漏扩散过程；李云飞[3]等基于Workbench多场耦合分析平台Fatigue Tool模块对含半穿孔缺陷油气管道开展了数值模拟分析；马跃[4]等采用Fluent对埋地管道泄漏油品的扩散范围进行了模拟计算；李朝阳[5]等用CFD的多孔介质模型对埋地管道泄漏油品的扩散进行了数值模拟；姜璐[6]等以Fluent软件为工具模拟原油被点燃前的泄漏扩散情况,分析原油在土壤及地面上的扩散规律及范围,并结合危害模型得到池火灾造成的热辐射危害范围；赵煜[7]等利用Fluent软件模拟了不同输送压力下原油在土壤中的泄漏扩散分布范围和速度场；姚志强[8]等以原油管道泄漏事故为研究对象,建立了埋地输油管道三维泄漏扩散过程的物理模型和数学模型，利用Fluent软件进行了数值模拟,计算出不同时刻油品在土壤中的扩散范围；王俊[9]等对埋地输油管道的小孔泄漏情况进行了数值模拟；李洋[10]等利用CFD中的多孔介质流动数值模拟方法研究了4个因素与泄漏油品纵向扩散深度的关系；邓彩华[11]等采用简单的直接模拟方法，模拟了单相物质在多孔介质中的流动。基于CFD多孔介质模型的模拟方式没有考虑到多孔介质内部孔隙尺度对泄漏污染物流动的影响，也没有考虑粒子排列结构的影响。在考虑孔隙尺度的研究中，埋地管道多相流泄漏的研究较少。

本文考虑了埋地输油管道泄漏污染物流动过程中，孔隙尺度对流动的影响，给出了常规多孔介质和孔隙尺度介质模拟的对比，通过比较分析各自的速度场可以判断该影响的程度，并且比较了在同一孔隙率条件下，粒子采用不同排列方式对流动的影响，为埋地管道泄漏事故应急处理与土壤环境修复等相关研究提供参考。

1 数学模型

埋地输油管道泄漏污染物流动问题属于多孔介质内部的流动问题，污染物在泄漏过程中应满足质量守恒和动量守恒，根据泄漏过程以及边界条件的选取状况，建立质量守恒和动量守恒方程。

质量守恒方程表示为

式中：m为多相流体的数目；vm为流体平均流速,m/s；ρm为多相流体密度,kg/m3。

动量守恒方程表示为

式中：m为多相流体数；F为体积力,N；μm为多相流体的黏度,Pa·s；vdr,k为第k相相对于多相流体的驱动速度，vdr,k=vk-vm,m/s。

2 模拟条件

2.1 模型选择

采用Fluent软件进行二维模拟，首先采用常规多孔介质模型进行模拟。选取VOF模型，常规多孔介质的孔隙率为0.569，粒子直径为6 mm，得出其粘性阻力系数为4 201 520.621，惯性阻力系数为1 364.763。泄漏区域的尺寸为300 mm×300 mm，泄漏管道直径为20 mm，泄漏口大小为7 mm。

孔隙尺度介质模型中，粒子直径采用6 mm，采用直排和错排形式，模拟区域的尺寸为300 mm×300 mm，泄漏管道直径为20 mm，泄漏口大小为7 mm，多孔介质的孔隙率为0.569。

2.2 网格划分

常规多孔介质模型中使用三角网格划分，共有813 790个网格。

孔隙尺度介质模型网格的划分，使用粒子直径6 mm并分别采用直排和错排方式绘制，格子为三角形。直排情况下，网格数量为446 584个；错排情况下，网格数量为442 300个。

2.3 边界条件设置

泄漏区域边界条件是表压力为0 Pa的压力出口，泄漏口为速度入口，其速度为0.11 m/s。考虑重力的影响，重力加速度取9.81 m/s2，粒子外表面为wall，油和水的配比为1:1。

2.4 物性数据

油水两相模拟所使用的物质为癸烷(C10H22)和水，其主要性质见表1。

表1 油水两相模拟物质主要性质

3 模拟结果分析

3.1 常规多孔介质模型与孔隙尺度介质模型的模拟比较

分别使用常规多孔介质模型与孔隙尺度介质模型进行模拟，其速度场如图1、图2所示。

(a)常规多孔介质模型

(a)常规多孔介质模型

如图1(a)、图2(a)所示，在常规多孔介质模型中，污染物泄漏后基本以重力方向为主要流动方向并向四周呈发散状扩散，这是由于泄漏口下方的土壤多孔介质同向性所致，土壤多孔介质中的孔隙使得污染物受到浓度差、毛细作用力、表面张力以及重力作用会优先向下部扩散；而在孔隙尺度介质模型中，如图1(b)、图2(b)所示，污染物从泄漏口泄出后，其向两侧扩散更加明显，这主要是由于土壤的孔隙结构所致，粒子阻碍了部分污染物沿重力方向迁移，在一定程度上改变了污染物的迁移方向，同时两侧也受到一定的浓度差、毛细作用力与表面张力的影响。

3.2 孔隙尺度介质模型不同排列方式的模拟比较

为研究不同孔隙结构对于污染物泄漏扩散的影响，进行了不同孔隙排列情况的模拟，由图3(a)、图4(a)可以看出，在孔隙尺度介质模型中，直排的孔隙结构在泄漏口下方存在沿重力方向的孔隙通道，使得污染物在直排的情况下主要沿重力方向迁移，重力方向上的迁移明显比错排强；而在粒子错排排列的情况下，如图3(b)、图4(b)所示，污染物在流出泄漏口后受到粒子的阻碍作用，影响了其竖直方向的流动，导致其在遇到阻碍后进行了水平方向的迁移，因此错排排列时污染物在水平方向上的迁移比直排时更强。

(a)直排

4 结论

本文通过Fluent数值模拟了埋地管道泄漏污染物在不同介质模型中的流动特性，比较了常规多孔介质模型和孔隙尺度介质模型的流动情况，并对模拟结果进行分析，得到如下结论：

(a)直排

(1)在常规多孔介质中，埋地管道泄漏后污染物在泄漏口向四周的土壤发散扩散，受重力、浓度差、毛细作用力、表面张力等因素影响，向下的扩散速度大于其他方向的扩散速度。

(2)在孔隙尺度介质模型中，污染物所表现出的流动特性不同于在常规多孔介质中，泄漏污染物的迁移受到孔隙结构的影响，向两侧扩散更加明显，这也提示进行相关数值模拟实验时应考虑孔隙结构对流动特性的影响，否则其结果会存在严重偏差。

(3)在孔隙尺度介质模型区域内，粒子的排列方式会影响泄漏污染物的流动特性，污染物在错排结构中相对于在直排时水平方向上有更强的迁移效果，整体表现出比直排时更强的扩散能力。