天然气作为一种洁净环保的优质能源,在我国能源革命中占据重要地位。我国天然气市场已经进入了快速发展阶段,天然气管道的铺设方式一般为埋地铺设,由于外力破坏或管道自身老化、腐蚀穿孔等因素导致管道泄漏事故频发,管道破裂或大孔泄漏一般容易被检测出来,可以采取疏散人群和切断气源等方法,而小孔泄漏产生的信号很弱,泄漏初期很难被发现与定位,一旦天然气泄漏到大气中达到爆炸极限,可能会造成非常严重的后果。因此,研究埋地输气管道小孔泄漏量预测及扩散特性,对管道的日常维护以及应急救援具有重要的意义。本文通过自行设计的实验环道,以空气作为实验介质,研究了不同土壤埋深、泄漏孔径和泄漏压力条件下,气体泄漏量、泄漏点附近动态压力和泄漏点前压力降的变化规律。在此基础上,建立了三维埋地天然气管道泄漏扩散模型,与实验所得泄漏量数据做对比,验证了模型的正确性,分别研究了泄漏压力、泄漏孔径、管道埋深、土壤性质、温度、泄漏孔形状和障碍物对天然气泄漏扩散过程的影响。当天然气在土壤中的扩散趋于稳定后,以地面甲烷浓度分布和质量流量作为大气扩散模型的入口边界条件,建立天然气离开土壤后在大气中的扩散模型,分别研究了入口质量流量、风速和建筑物对天然气在大气中的扩散距离的影响。实验结果表明,气体泄漏量随泄漏孔径增加近似呈幂指数增长关系,随泄漏压力的增加近似呈线性增长关系,随着土壤埋深的增加而减小,但影响较小。通过拟合得到实验室条件下气体泄漏量与土壤埋深、泄漏孔径、泄漏压力的定量关系式,气体泄漏量与动态压力幅值的定量关系式,气体泄漏量与泄漏点前压力降的定量关系式。通过引入阻力系数?,得出三种适用于小孔泄漏、亚音速流动条件下埋地输气管道泄漏量预测的定量关系式。数值模拟结果表明,同一点甲烷浓度随时间的增加而增加,主要分为三个阶段:孕育阶段、快速增长阶段和缓慢增长阶段。通过编写MATLAB程序,对数值模拟结果进行非线性拟合,得到小孔泄漏、亚音速流动条件下天然气泄漏量与泄漏压力、泄漏孔径、土壤孔隙度和土壤颗粒直径的定量关系式,甲烷在土壤中的浓度与泄漏量、泄漏时间和与泄漏孔距离的定量关系式,得出气体在大气中扩散会产生卷吸现象,不同因素对天然气在大气中纵向扩散高度和横向扩散距离的影响。