天然气多场耦合扩散机理及其泄露源逆时间反演研究

Multi-physics dispersion of leaked natural gas under soil-air environment and inverse identification of natural gas leakage sources are proposed, aiming to the safe operation of underground natural gas pipelines. Firstly, analytical model of leaked natural gas dispersion will be set up to investigate the effects of abrupt-changing variables from natural gas pipelines and surrounding environment on the dynamic characteristics of leaked natural gas transportation; simultaneously, the spreading direction and endangering domain of leaked natural gas will be preliminarily obtained by the scale analysis of leaked natural gas dispersion. Following that, the leaked gas transportation, terrain accumulation and topographic spread will be accurately simulated by the numerical models; depending on the transport visualizing functions of scalar fluid flow across the soil-air environment, key factors of leaked natural gas dispersion could be identified and the multi-physics coupling transport characteristics of leaked natural gas could be fully disclosed. Next, source tracking inverse measurements of natural gas leakage source will be implemented by the backward methodology, through which the spatial locations of natural gas leakage sources and transportation history of leaked gas will be timely monitored and identified based on the natural gas concentration monitored by sensors. Finally, multi-physics coupling dispersion of leaked natural gas and inverse source-tracking codes will be completely validated by the scale-reduced soil-air water-tank model experiments. Overall, remarkable reduction of natural gas leak and long-term reliable operations of underground natural gas pipelines could be fully ensured through the implementation of this proposed research project, where contains the robust methodology and sound routes.

基于埋地管线天然气输运的安全运行，本项目将开展泄漏天然气土壤－空气耦合扩散机理和天然气泄漏源追溯反演研究。首先将构建天然气土壤－空气多场耦合扩散理论分析模型，探讨管线和周边环境突变因素对泄漏天然气扩散动力特征的影响，并按尺度分析方法解析泄漏天然气扩散过程，初步辨识泄漏天然气蔓延方向和危害区域；接着详细数值分析泄漏天然气多场耦合的运移、扩散、洼地集聚和地形导向过程，并通过构造和求解泄漏天然气的多场耦合流动输运函数，判定泄露天然气扩散过程主导因素，全面理解泄漏天然气多场扩散过程特征；然后建立天然气泄漏源追溯监测的逆时间反演程序，实现由泄漏天然气浓度信息实时反演监测埋地管线天然气泄漏源位置和反演辨识泄漏天然气输运历史；最后，通过缩比例尺的土壤－空气水箱模型实验充分验证泄漏天然气多场耦合扩散机理和泄漏源追溯反演程序。本课题将为降低天然气泄漏、保障埋地管线长期安全稳定运行等提供有力的理论基础和手段。

燃气管道气体泄漏往往具有突发性和隐蔽性，很多事故情况下管道泄漏后的气体是先经过土壤层再进入空气中进行扩散的。因此，研究天然气泄漏土壤-空气扩散特性以及寻找天然气泄漏源显得至关重要。.有特色的基础研究包括(1)建立泄漏天然气耦合扩散一维稳态模型，结果表明土壤中的气体浓度与其泄漏点的距离成反比，对理论上理解天然气扩散影响参数有重要意义；(2)建立了泄漏天然气多场耦合数值扩散模型，探究土壤-空气界面、土壤区和空气区速度分布，通过对无风和有风情况模拟，获得相应的危险区域，为天然气迅速扩散，降低浓度以及人员疏散有重要指导意义；(3) 建立城市街区天然气扩散数值模型，通过考虑等高高层建筑、不等高高层建筑和等高低层建筑条件下天然气扩散，分析天然气聚积区域，结果表明等高建筑危险区域最大，对城市小区规划提供理论依据；(4)建立单组天然气泄漏源逆时间反演数学与数值模型，讨论入流风速、泄漏源位置以及天然气释放时间等对近似逆时间反演模拟结果的影响，表明逆时间反演程序能很好的获得单个天然气泄漏源位置；(5)建立多个天然气泄漏源位置逆时间反演数学和数值模型，探讨了泄漏源位置、风速、泄漏源强度、热源强度对多未知天然气泄漏源位置反演的影响，表明逆时间反演方法能同时获得多个未知泄漏源位置。(6)建立泄漏天然气动态缩比例水箱PIV实验及非接触测量系统；(7)建立天然气节能主动能量回收模型，探讨不同系统参数条件下系统的最优性能，为节能系统设计提供理论指导。.受该项目资助，课题组已经在国际权威期刊上发表论文21篇、国际会议论文5篇；荣获香江学者计划、湖南省优秀博士学位论文各一项，培养硕士研究生4名。课题组不仅发展了各类天然气多场耦合理论分析方法和计算理论、完善了天然气泄漏逆时间反演研究平台，并结合非接触测量技术更加充实了天然气流动扩散模拟的实验验证平台。这些研究成果都将为进一步深化天然气安全提供技术和理论基础。