混氢海管泄漏羽流扩散行为数值分析

刘承婷; 杨心茹; 陈康健; 李茗璐; 刘豹

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502838

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (10) :4175-4182 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502838

石油、天然气工业

混氢海管泄漏羽流扩散行为数值分析

刘承婷 ¹^,² ,
杨心茹 ¹^,² ,
陈康健 ¹^,² ,
李茗璐 ¹^,² ,
刘豹 ¹^,²

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Numerical Analysis of Diffusion Behavior of Leakage Plume from Hydrogen-blended Natural Gas Submarine Pipeline

LIU Cheng-ting ¹^,² ,
YANG Xin-ru ¹^,² ,
CHEN Kang-jian ¹^,² ,
LI Ming-lu ¹^,² ,
LIU Bao ¹^,²

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摘要

为优化能源结构,揭示混氢海管因泄漏引发的气体羽流扩散过程演化规律,基于多相流动力学理论与计算流体力学理论,采用FLUENT软件构建混氢海管泄漏扩散数值模型并开展多工况模拟,明确泄漏气体羽流扩散过程存在4个特征阶段。重点研究掺氢比、泄漏孔径、海流速度及海水深度对混氢天然气泄漏扩散形态及气体羽流迁移路径影响机制。结果表明:掺氢比、泄漏孔径、海流速度及海水深度均对混氢海管泄漏气体羽流扩散过程有显著影响。掺氢比越大,混氢天然气羽流扩散范围越大且溢出海面时间越短;当泄漏孔径较小时,气体羽流易出现非定常波动,在接近海面时纵向扩散速度减慢,反之,当泄漏孔径较大时,气体羽流上浮过程相对稳定,到达海面时间越短;海流速度越大,气体羽流沿海流方向扩散偏移距离越大,形成随流速梯度变化的曲线迁移路径;泄漏孔距离海面越远,气体羽流上浮至海面时间越久。

Abstract

In order to optimize the energy structure and reveal the evolution law of gas plume diffusion caused by leakage in hydrogen-blended submarine pipelines, a numerical model for leakage and diffusion of hydrogen-blended submarine pipelines was established using FLUENT software based on multiphase flow dynamics theory and computational fluid dynamics theory. Multi-condition simulations were conducted, revealing that the diffusion process of leaked gas plumes undergoes four characteristic stages. Special focus was placed on investigating the influence mechanisms of hydrogen blending ratio, leakage orifice diameter, ocean current velocity, and seawater depth on the diffusion patterns and migration paths of hydrogen-blended natural gas leakage plumes. The results demonstrate that hydrogen blending ratio, leakage orifice diameter, ocean current velocity, and seawater depth all exert significant effects on the diffusion process of leaked gas plumes from hydrogen-blended submarine pipelines. A higher hydrogen blending ratio leads to a larger diffusion range of the hydrogen-blended natural gas plume and a shorter time to reach the sea surface. When the leakage orifice diameter is small, the gas plume tends to exhibit unsteady fluctuations, and the longitudinal diffusion velocity slows down as it approaches the sea surface. Conversely, a larger leakage orifice diameter results in a relatively stable upward floating process of the gas plume and a shorter time to reach the sea surface. A higher ocean current velocity causes a greater diffusion deflection distance of the gas plume along the current direction, forming a curved migration path that varies with the velocity gradient. Additionally, The greater the distance from the leakage orifice to the sea surface, the longer the time required for the gas plume to rise to the sea surface.

Graphical abstract

关键词

掺氢天然气 / 海底管道 / 羽流扩散 / 数值模拟

Key words

hydrogen-blended natural gas / submarine pipeline / plume diffusion / numerical simulation

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刘承婷, 杨心茹, 陈康健, 李茗璐, 刘豹. 混氢海管泄漏羽流扩散行为数值分析[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(10): 4175-4182 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502838

LIU Cheng-ting, YANG Xin-ru, CHEN Kang-jian, LI Ming-lu, LIU Bao. Numerical Analysis of Diffusion Behavior of Leakage Plume from Hydrogen-blended Natural Gas Submarine Pipeline[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(10): 4175-4182 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502838

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随着全球气候变暖加剧,碳排放约束趋严,为实现碳达峰与碳中和目标,能源结构亟需从化石能源向非化石能源转型^[1-2]。氢能,以其清洁无污染、零碳排放及高效能转换的优势,被视为最具潜力的能源载体^[3-5]。氢气掺入现有天然气管网实现混合储运,成为中外能源领域的研究热点,对能源结构优化转型具有重要意义^[6-8]。相较于陆上埋地管道,海底管道面临更为严苛的服役环境挑战,其结构完整性与安全可靠性受多重威胁因素耦合作用制约,如海水的冲刷与腐蚀、地震等自然条件威胁以及船舶抛锚、渔业作业等人为活动带来的第三方破坏风险。由于氢气具有低分子量和高扩散系数的特性,泄漏气体在海水中的迁移行为呈现出显著异于纯天然气的多相流特征,掺氢天然气管道一旦发生泄漏事故,将可能直接威胁海上平台作业人员的生命安全,并对海洋油气生产设施造成灾难性连锁破坏。因此,揭示掺氢天然气在复杂海洋环境下的泄漏扩散动力学机制,对于建立基于物理机制的管道风险量化评估模型、开发智能早期预警系统,以及优化应急响应决策具有重要的理论价值与工程意义。

现如今,一些学者对海底天然气管道泄漏已经开展了各项研究^[9]。李延豪等^[10]基于计算流体力学与多相流动理论构建国外某浅海海底天然气管道泄漏扩散模型,以泄漏孔径、泄漏速率、水流速度为关键变量模拟气液两相运动,明确了水下气体扩散三阶段特征及各变量对扩散时间与轨迹的影响规律;赵江平等^[11]通过构建考虑复杂水体流动的近海水下输氢管道泄漏扩散模型,揭示了不同水深、流速条件下泄漏气体的扩散规律及影响机制并建立了泄露后水面关键参数的预测方程;李景明等^[12]运用流体体积模型(volume of fluid,VOF)模拟水下天然气管道泄漏的微小气泡运移特性,研究泄漏孔径、位置及速度对气泡运动与聚并行为的作用机制,揭示了相关规律与特征;朱红钧等^[13]针对掺氢天然气因氢气密度低而在海洋波流作用下浮升扩散行为异于纯天然气的特性,采用计算流体力学方法模拟波流联合作用下其泄漏扩散过程并将泄漏过程分为3个阶段,研究掺氢比、波长、海流流速等对气泡运动及扩散的影响规律;方益涛等^[14]通过数值模拟研究了海底掺氢天然气管道锚断与海床下小孔泄漏场景,揭示了掺氢比、海水深度等关键参数对泄漏扩散的影响机制及不同场景下的规律。Wang等^[15]针对海底气体泄漏引发气泡羽流与喷泉效应的安全环境风险,通过实验揭示了泄漏条件对羽流扩散动力学的影响及流态转变规律,并建立无量纲最大喷泉高度关联模型。Xue等^[16]针对复杂环境下水下天然气管道泄漏源识别难题,创新性地提出了一种耦合数值模拟与替代模型的混合反演方法,通过融合气泡羽流动力学模拟、Kriging代理模型与反向传播神经网络(back propagation neural network,BP)优化技术,实现了泄漏参数的高效精准反演。

综上所述,现阶段,针对天然气管道泄漏的研究较多,而关于混氢海管泄漏羽流扩散规律研究相对匮乏,对于混氢海管泄漏羽流扩散机理尚待做深入研究。因此,现基于多相流动力学与计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)理论框架,构建混氢海管泄漏扩散演化过程数值模型,选取掺氢比、泄漏孔径、海流速度及泄漏孔距离海面垂直距离(以下简称海水深度)为关键控制变量,依托Fluent平台开展多工况模拟,明确泄漏扩散的四阶段形态特征,揭示各变量对扩散范围、溢出时间、羽流稳定性及迁移路径的影响规律,其量化关联结果为监测系统优化与应急响应策略制定提供参数支撑,也为海底输气管道应急抢险预案的修订与掺氢混输运维提供参考依据。

1 数值计算模型

选取某海域掺氢天然气输送管道作为研究对象,工况参数如下:管道外径480 mm,设计压力4 MPa,运行温度范围为278~300 K,假设气体自管道泄漏的质量流量为0.05 kg/s。针对海底掺氢天然气管道泄漏扩散过程的气液两相流动特性,构建基于欧拉框架的多物理场耦合数值模型体系,采用具有界面追踪优势的VOF模型与组分输运模型的协同求解策略,实现对气液两相流界面动力学及多组分质量输运行为的精细化模拟^[17-18]。

1.1 模型构建及网格划分

通过构建二维垂直剖面模型对海底地形的影响进行简化处理。考虑到非静水状态下的海洋环境特征,为提升模型计算效率并节省模拟资源与时间成本,将泄漏源设置于距左边界 4 m 处(坐标x=-11 m)。基于预模拟结果,确定水深 20 m 工况下泄漏气体的横向扩散极限距离为 21.5 m,据此将计算域长度设定为 30 m,以确保满足模拟边界条件需求。如图1所示,为水深15 m工况下的网格划分图。采用ANSYS Design Molder进行参数化几何建模,在静水状态下将泄漏源定位于计算域底部几何中心,全局网格尺寸设置为0.035 m,同时,在泄漏处附近网格进行加密处理,插入Edge Sizing并设置泄露处分区数量,采用四边形结构化网格,实现计算精度与效率的优化平衡。

以静水环境、泄露孔径为60 mm、掺氢比为5%的工况为例,设置气体泄露速率为1 m/s,在泄漏孔正上方0.2 m设置监测点,通过对甲烷质量流量时程曲线进行量化对比进行网格无关性分析。基于ANSYS Meshing平台构建三组异构化网格体系网格(数量分别为284 206、365 750、480 208)。如图2所示,采用284 206单元网格的计算结果呈现显著异常,质量流量峰值偏差8.54%。对比分析365 750单元网格与480 208单元网格的甲烷分布特征,其稳定阶段最大相对误差为5.47%,平均误差1.36%,满足网格无关性要求,最终选定365 750单元网格方案,在保证精度的同时降低计算资源消耗。

1.2 边界条件设置及求解方法

设置泄漏孔处为质量流量入口边界,水域顶部为压力出口边界,水域左边为速度入口边界,水域右边为自由出流边界。

基于多相流耦合输运的数值建模需求,以及针对气液两相密度差引发的数值不稳定问题,选用VOF模型中隐式体积力处理方法结合Realizable k-ε湍流模型与非稳态压力基求解器,采用基于压力修正的SIMPLE算法,通过迭代求解动量方程与压力修正方程的隐式耦合关系,捕捉混氢气体溢出海面时气-液交界面动态演化。

2 数值模拟结果分析与讨论

2.1 扩散过程分析

以静水环境、泄露孔径为60 mm、气体掺氢比为5%、海水深度为15 m的工况为例,研究混氢天然气管道泄漏气体羽流扩散过程,如图3所示,依据气体形态与演化状态的显著差异划分出4个具有标志性、阶段性特征的演化环节。

如图4(a)所示,在气体初始泄漏阶段,气体刚从泄漏孔溢出,气泡底部紧紧依附于孔口处,逐渐在泄漏孔上方积聚形成一个半椭球形小气泡,气泡体积随着泄漏气体不断增加而逐渐膨胀增大,形成不规则块状气团。如图4(b)所示,在静水压力与浮力共同作用下,气团中心区域因浮力主导呈现垂直向上迁移,而两侧受剪切回流抑制形成速度分层,此时气团形似蘑菇状。如图4(d)所示,持续泄漏的混氢天然气体通过动量传递与体积补给维持羽流动态平衡,气团体积不断膨胀,同时由于海水的强湍流耗散使气团在上升过程中分裂成多尺度不规则的子气团。如图4(f)所示,在气液两相摩擦剪切效应与涡旋裹挟作用下,子气团继续细化分裂得越来越小,相间掺混越来越强;羽流尾迹区两侧伴随着一定程度的旋转产生回流结构,气体扩散范围越来越大,气体羽流形似树状,最后自海面溢出。

2.2 掺氢比的影响

研究不同掺氢比对管道泄漏的掺氢天然气扩散行为影响,参数设置如表1所示。

由图5可知,随着掺氢比的增大,混合气体浮力增强,导致气体羽流纵向扩散速率加快,到达海面时间缩短。

混氢气体溢出至海面所需时间及气体羽流横向扩散距离如图6所示。当掺氢比分别为5%、10%、15%时,泄漏气体溢出海面的时间分别为21.8、21.4、20.9 s,对应气体羽流直径分别为4.81、5.67、6.88 m。由图6可知,掺氢比的提升会显著降低混合气体密度,随着气团上升速率的增加,使气团受到更强的流体剪切作用从而在上升过裂程中分破碎成的气泡越多,导致气体羽流横向扩散距离随掺氢比的增大而显著增加。

2.3 泄漏孔径的影响

研究不同泄漏孔径对管道泄漏的掺氢天然气扩散行为的影响,参数设置如表2所示。

如图7所示,当海管泄漏孔径为20 mm时,气体自泄漏孔溢出后形成的气团在水流作用下破碎分裂成小气泡;当泄漏孔径扩大至60、120 mm时,气体泄漏量的增加,积聚形成的块状气团不断增大,从而分裂破碎出更多的小气泡,最后在浮力和水流联合作用下逐渐溢出海面。

如图8和图9所示,当泄漏孔径分别为20、60、120 mm时,泄漏气体溢出至海面的时间分别为26.9、23.7、21.2 s。如图8和图9可知,随着泄漏孔径的增大,气体羽流上浮至海面的时间越短。当泄漏孔径从20 mm增至60 mm时,气体溢出至海面的时间缩短11.9%;而当泄漏孔径进一步从60 mm增至120 mm时,溢流时间的缩短幅度为10.5%,这一结果揭示了泄漏孔径与气体上浮至海面时间之间的非线性关联特征。

泄漏形成的气团会在接近海面时因自身体积大小影响气体羽流纵向扩散速率。当泄漏孔径较小时,形成的块状气团体积也相对较小,由于气体羽流在上升过程中受到的浮力作用逐渐增强,从而导致泄漏的混氢天然气向上运动时易出现动态失衡,从而引发气体羽流迁移路径的非定常波动,且在气体接近海面时上浮速度放缓。反之,当泄漏孔径较大时,气体羽流上浮过程相对稳定,纵向扩散速率不易出现较大波动。

2.4 海环境影响

考虑到实际海况受洋流运动及海底地形起伏等多重因素影响,为提升数值模拟的可操作性与计算效率,因此对自然系统进行合理概化,重点分析海流速度及海水深度对混氢天然气羽流扩散行为的影响规律。

根据式(1)^[19]设置海水流速以模拟实际海流情况,即

(1)v_z=v_s

${\left(\frac{z}{H}\right)}^{1/7}$

式(1)中:v_z为距海平面z处的海水流速,m/s;v_s为海平面流速,m/s;H为海水深度,m。

通过式(1)建立的流速剖面模型,采用用户自定义函数构建海流速度场,工况设置参数如表3所示。结合DEFINE_INIT宏进行流场初始化,并运用DEFINE_PROFILE宏定义计算域左侧边界条件,使计算域内流场在初始化阶段即达到动态平衡状态。

当海平面特征流速v_s=0.5 m/s时,海流速度云图及垂直速度梯度曲线如图10和图11所示,验证速度边界条件的物理合理性,实现海流环境与气体羽流扩散过程的动态耦合。泄漏初期气体受孔口附近低流速海水环境影响较小,浮力主导作用显著,导致混氢天然气以近垂直轨迹快速上浮。随着气体羽流迁移高度增加,在浮力与海流协同作用下,气体羽流轨迹逐渐沿海流方向偏转,形成随流速梯度变化的曲线迁移路径。

如图12所示,当海面流速分别为0.5、1.0 m/s时,泄漏气体溢出海面的时间分别为27.1、27.9 s,对应气体羽流直径分别为8.45、9.62 m。对比静水状态时泄露气体羽流上浮过程中扩散情况,随着海水流速的增大,泄漏气体羽流横向扩散范围越大,对气体羽流迁移路径影响显著。这一差异对传感器阵列布设的优化具有直接指导意义。不仅要沿预测的偏转路径前端加密布设,还需将海底传感器阵

列形态进行调整,以适配泄漏气体羽流快速且大范围的横向扩散特征,避免因海流驱动的路径偏移导致监测盲区。

对比不同水深工况,混氢天然气泄漏至海面的时间随水深逐渐递增。如图13所示,当海水深度分别为10、15、20 m时,气体溢出海面时间分别为21.8、23.7、25.4 s,对应的气体羽流到达海面时横向扩散距离分别为4.82、6.96、7.38 m。海水深度越大,气体迁移路径越长,上浮至海面时间越久。通过将水深对应的气体溢流时间及横向扩散距离、海流速度梯度驱动的布设密度、采样频率优化策略相结合,可实现监测系统对不同水深工况的 “动态适配”,进一步提升横向扩散羽流的捕捉效率,为混氢海管泄漏的分层级应急响应提供更精准的监测支撑。

3 结论

基于多相流动力学与计算流体力学理论框架,构建混氢海管泄漏扩散演化过程的数值模型。选取掺氢比、泄漏孔径、海流速度以及海水深度作为关键控制变量,依托Fluent仿真平台开展多工况数值模拟,得出以下结论。

(1)海底混氢天然气管道泄漏扩散过程可根据气体形态与演化状态的显著差异划分出4个特征阶段:起初在泄漏孔上方形成半椭球状小气泡;气泡不断积聚成大气泡;大气泡逐渐上升膨胀形成块状气团;气团受到海环境影响,其部分分裂破碎成多尺度小气团,最后溢出海面。

(2)随着掺氢比的增加,泄漏气体扩散范围越大,越快溢出海面,建议缩减高风险区域传感器布设间距,确保监测响应时效。当泄漏孔径较小时,气体羽流易出现非定常波动,在接近海面时纵向扩散速率降低;反之,当泄漏孔径较大时,单位时间气体泄漏量越多,气体羽流上浮过程相对稳定,纵向扩散速率不易出现较大波动,气体到达海面时间越短。对比泄露孔径由20 mm增至60 mm,60 mm增至120 mm情况下气体溢流缩短时间可知,泄漏孔径与气体上浮至海面时间之间呈非线性关联,建议相应缩短海底监测系统的报警阈值时间,以匹配孔径扩大后的风险升级速度,为应急响应策略提供参数依据。

(3)在不同海流速度条件下,发现海流速度主要影响泄漏时间与气体羽流横向扩散距离。海流速度越大,气体受水流的推动作用越明显,沿海流方向扩散偏移距离越大,形成随流速梯度变化的曲线迁移路径。在不同水深条件下,发现海管泄漏孔距离海面越远,气体迁移距离越大,海管泄漏孔处受到的水静压越大,从而导致气体羽流上浮至海面的时间越久。基于此,工程应用中可依据海域实测海流速度梯度分布,在沿曲线迁移路径前端加密布设矢量传感器阵列,同时将海流速度参数嵌入监测系统算法,动态调整传感器采样频率以提升横向扩散羽流的捕捉效率。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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