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近日，我院力学学科硕士研究生武立文在埋地管道天然气及掺氢天然气泄漏扩散特性研究方面取得系列进展，相关研究成果先后发表于《Gas Science and Engineering》（SCI二区IF 5.5）、《Renewable Energy》（SCI一区IF 9.1）等能源与流体工程领域重要期刊。其中《Investigation on natural gas leakage and diffusion characteristics based on CFD》发表于《Gas Science and Engineering》，《Investigation on leakage characteristics and consequences of hydrogen-blended gas pipelines based on CFD with the full multicomponent diffusion model》发表于《Renewable Energy》。论文第一作者为硕士研究生武立文，通讯作者为张毅副教授，合作作者包括乔亮、 Ben Jar 教授等，中国石油大学为第一署名单位，研究得到国家自然科学基金（11802343）、城市老旧 PE 管道风险评估技术项目（KJ2023005）等项目资助。
明确埋地管道燃气泄漏后的扩散规律及危险区域范围，是开展管道泄漏风险评估与应急处置的核心前提。针对传统模型难以精准刻画多因素耦合下燃气扩散特性的问题，论文基于计算流体动力学（CFD）方法，构建了埋地管道小口径泄漏的三维多孔介质扩散模型，系统探究了管道压力、泄漏孔径、土壤类型、土壤温湿度及掺氢比例等关键因素对燃气扩散的影响，同时创新性开展了多管道泄漏耦合扩散及惰性气体改性掺氢燃气泄漏风险的研究。
团队建立的数值模型计算域尺寸为 4m×4m×2.5m，管道公称直径 100mm、埋深 1.5m，通过网格独立性验证与实验数据校核，确保了模拟精度。
埋地管道天然气泄漏扩散数值模型示意图
网格独立性验证结果
模型可靠性验证结果
针对纯天然气的泄露特性研究，发现压力、泄漏孔径、土壤温度与甲烷浓度及危险区域呈正相关，土壤含水率呈负相关；砂土中甲烷扩散能力最强，黏土中最弱（13min 泄漏后，砂土、壤土、黏土中甲烷最大危险扩散距离分别为 4m、2.26m、0.998m）。
针对掺氢天然气（HBNG）的泄漏特性，团队发现泄漏压力、孔径、掺氢比（HBR）与 HBNG 浓度及危险区域正相关，土壤孔隙度呈负相关；泄漏方向对扩散影响显著，向上泄漏的危险区域最大（1200s 泄漏后危险面积达 6.963m²），向下泄漏最小；添加惰性气体可在短时间内降低爆炸区域，但长期泄漏会扩大爆炸范围。
不同掺氢比下 HBNG 泄漏危险区域变化曲线
在双管道泄漏场景中，管道水平间距从 0.5m 增至 2m 时，地表甲烷最大浓度从 35% 降至 20%，但气体横向入侵距离从 2.89m 增至 4m，警戒区与危险区范围扩大；间距较小时（0.5m、1m），地表最大浓度出现在两泄漏点之间，间距较大时（1.5m、2m）则位于泄漏点正上方。
不同管道间距下地表甲烷浓度云图
系列研究通过正交试验与灵敏度分析，明确了影响燃气扩散的主控因素：对于纯天然气，土壤类型（极差 98.24%）> 泄漏孔径（极差 71%）> 泄漏压力 > 土壤温度 > 土壤含水率；对于掺氢天然气，土壤孔隙度（平均灵敏度系数 1.51）> 泄漏孔径 > 泄漏压力 > 掺氢比。研究成果为埋地燃气管道的风险评估、应急规划及安全运维提供了重要理论支撑。
论文链接 1：https://doi.org/10.1016/j.jgsce.2024.205238
论文链接 2：https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.123502
