随着人们对环境的重视,天然气作为清洁能源得到了大力发展,城市燃气使用率日益增加,城镇地下燃气管网分布密集,很多城市燃气管道已处于事故高发的阶段。经过对燃气泄漏事故的统计分析发现事故主要分为两大类:第一类是燃气管道在土壤中发生小孔泄漏,在密闭空间积聚,遇到火源时引起火灾、爆炸等事故;第二类是因第三方破坏而导致管道泄漏,燃气直接泄漏到地面空间,在人口密集的小区和街道等地发生爆炸等事故。本文主要针对这两大典型的燃气泄漏事故进行研究,通过实验与模拟的方式分析燃气在土壤和环境中泄漏扩散的规律。研究成果可以为保障城镇燃气管网安全运行及事故应急处理提供理论依据。首先,根据第一类燃气管道泄漏事故发生特点对埋地管道在土壤中发生小孔泄漏进行实验研究,研究在不同管道压力下燃气管道发生泄漏时燃气扩散分布的规律。结果表明在相同的测点位置,管道压力越大甲烷进入测点的浓度越大,燃气置换次数越大。其次,根据实验平台的尺寸建立了燃气管道在土壤中发生小孔泄漏扩散的三维数值模型,对燃气管道在土壤中发生小孔泄漏扩散过程进行了数值模拟,对比分析了在不同扩散时间、不同管道压力、不同土壤类型下天然气扩散分布的变化规律。结果表明:泄漏孔两端燃气的高浓度区、中等浓度区和低浓度区大致呈对称分布。在泄漏孔附近燃气浓度最大,由泄漏孔向四周燃气浓度逐渐降低。燃气经过土壤进入大气环境后扩散速度明显加快,在土壤区域和大气区域边界两端的燃气质量分数差距较大;燃气管道发生微小泄漏时,随着管道压力的增大,燃气泄漏的范围和危险性也增大;土壤种类对天然气泄漏扩散过程有重要影响。土壤类型为黏土时,由于黏土的孔隙度较小,燃气泄漏扩散受到的阻力很大,燃气高浓度区主要集中在泄漏孔附近很小的区域范围内,相同时间下扩散的范围最小,其次是砂壤土,最后是粉质砂土。随后,依据第二类事故特点,从城市不用街道建筑布局为出发点,建立燃气管道在不同街道建筑布局泄漏扩散物理及数学模型并求解。在建立物理模型时,选取700 m×650m×300 m的计算域和行列式、斜列式以及围合式三种布局。数学模型包括质量守恒、动量守恒、能量守恒三大方程以及气体状态方程。对比实验进行模型可靠性验证,证明了模型的正确性。最后,利用建立的燃气泄漏扩散模型对燃气管道在不同街道布局下泄漏扩散的影响进行模拟分析。结果表明随着泄漏管道压力的增大,燃气在相同泄漏扩散时间里达到警戒的危险区域越大;通过对三种不同街道布局燃气泄漏扩散的模拟结果分析可得,围合式布局气体流通性最差,燃气最不容易稀释扩散,危险性最高,其次是斜列式,行列式气体流通效果最好,危险性最低。燃气会跟随气流一起扩散,环境风速越大其扩散分布的范围越大:在环境风速为3m/s时燃气聚集的可能性最小,在8m/s时扩散的范围最大,危险性最高。危险范围主要集中在下风向的建筑上方,以及靠近泄漏口的建筑壁面和处于气流回旋区的街道空腔,这些区域在发生燃气泄漏事故后应及时疏散人群排除安全隐患。对比分析相同泄漏压力,相同背景风速下三种不同街道布局燃气泄漏扩散的模拟结果可知,围合式布局气体流通性最差,燃气最不容易稀释扩散,危险性最高,其次是斜列式,行列式气体流通效果最好,危险性最低。