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发布：2026-05-20 · 事件：2026-05-20 18:23:23

｜ 摘自 《煤气与热力》2026年5月刊 公路隧道CNG气瓶车泄漏扩散特性模拟研究 杨盈盈 黄小美 陈刘洋 漆琦 吕山 阳东 （重庆大学 土木工程学院清洁能源研究所， 重庆 400040） 摘 要： 为探究公路隧道内CNG气瓶车泄漏可爆燃气云的动态变化规律，开展泄漏扩散数值模拟，分析了泄漏孔朝向、泄漏孔直径、环境风速对可爆燃气云的影响。CNG气瓶车泄漏孔朝向地面时，因受到地面以及车辆的阻挡甲烷的扩散速率较小，可爆燃气云体积增长速度最快，可爆燃气云体积最大值也大于其他泄漏孔朝向。

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｜ 摘自 《煤气与热力》2026年5月刊 公路隧道CNG气瓶车泄漏扩散特性模拟研究 杨盈盈 黄小美 陈刘洋 漆琦 吕山 阳东 （重庆大学 土木工程学院清洁能源研究所， 重庆 400040） 摘 要： 为探究公路隧道内CNG气瓶车泄漏可爆燃气云的动态变化规律，开展泄漏扩散数值模拟，分析了泄漏孔朝向、泄漏孔直径、环境风速对可爆燃气云的影响。CNG气瓶车泄漏孔朝向地面时，因受到地面以及车辆的阻挡甲烷的扩散速率较小，可爆燃气云体积增长速度最快，可爆燃气云体积最大值也大于其他泄漏孔朝向。泄漏孔直径为15 ~30 mm时，泄漏孔直径越大，则可爆燃气云体积最大值越大，达到可爆燃气云体积最大值的时间越短。环境风速1~10 m/s时，环境风速越大，则可爆燃气云体积最大值越小，达到可爆燃气云体积最大值的时间也越短。在公路隧道CNG气瓶车安全管理中，应重点防控大泄漏孔直径、泄漏孔朝向地面、低环境风速带来的泄漏事故风险。 关键词： 压缩天然气气瓶车 ； 公路隧道 ； 压缩天然气泄漏扩散 ； 可爆燃气云体积 1. 概述 压缩天然气（CNG）储存和运输方便，CNG气瓶车公路运输是天然气管道运输的重要补充 [ 1 ] 。CNG气瓶车运输过程中由于操作人员疏忽、交通事故等原因，存在泄漏的可能。公路隧道是一个狭长且相对密闭的空间，一旦发生CNG泄漏，容易造成火灾、爆炸且救援难度大。因而研究公路隧道内CNG气瓶车泄漏扩散规律能够有效提升救援效率，减少人员伤亡和经济损失。 近年来，针对LNG和LPG泄漏扩散研究较多 [ 2-7 ] ，但是涉及CNG泄漏扩散的研究较少。李新宏等人 [ 8 ] 研究了CNG气瓶车公路隧道内发生追尾导致的泄漏问题，发现天然气扩散具有极速泄漏、初期膨胀增长、稳定收缩等特征。焦振涛等人 [ 9 ] 研究了CNG气瓶车在隧道内的天然气泄漏扩散规律，通过计算流体动力学（CFD）仿真分析了风速、泄漏孔直径和后车间距对扩散的影响。研究发现，危险区域范围随隧道风速增加呈现先增后减的变化趋势，泄漏孔直径越大，危险区域范围越大。后方车辆需保持8 m以上安全距离以避免天然气聚积。对CNG气瓶车在公路隧道内发生车祸导致气瓶车连接管处发生泄漏的问题，研究了泄漏孔朝向、泄漏孔直径、环境风速对隧道内CNG泄漏扩散的影响。 2. 研究方法 2.1 物理模型 本文使用SketchUp和Fluent软件进行物理模型建模，物理模型横截面及纵截面见 图1 。隧道长宽高分别为750.0、15.0、10.5 m，CNG气瓶车简化为一个长宽高分别为15.0、3.0、2.5 m的长方体。坐标原点位于公路隧道底面中心位置。假设CNG气瓶车是一个天然气不能进入的实体，不考虑隧道内其他车辆。 图1     物理模型横截面及纵截面 泄漏孔见 图2 。泄漏孔设置于气瓶车后部，是一个可以调节方向的泄漏口，模拟中无论如何调节方向， 泄漏孔中心点坐标始终为（0，0，2） m。 图2 中泄漏孔朝向为+ z 方向、泄漏孔直径20 mm。 图2     泄漏孔 2.2 数学模型 CNG气瓶车在储运天然气时具备较高的压力，一旦发生泄漏，天然气将快速喷射而出，整个泄漏过程为湍流运动，故采用高压容器泄漏模型计算CNG泄漏量 [ 10 ] 。泄漏过程中，天然气与空气发生质量及动量交换，涉及质量守恒、动量守恒、能量守恒等微分方程。为确保方程封闭求解，还需补充理想气体状态方程、密度方程及组分输运方程 [ 11 ] 。运用Fluent软件，构建CNG泄漏扩散 k - ε 模型 [ 9 ] ，假设CNG气瓶车的泄漏孔为圆形，CNG气瓶车只有一个管束发生泄漏，且不考虑其他车辆的影响，将泄漏的天然气简化为不可压缩的纯甲烷气体，天然气只与空气进行组分输运，不考虑化学变化。 2.3 网格划分 CNG气瓶车周围的近场区域采用四面体非结构网格，远场区域采用六面体结构网格，结构网格和非结构网格交界面设置成interface。为了提高网格质量，在泄漏源周围采用局部网格加密。进行网格数量验证，最终取251万 个网格进行模拟。 2.4 边界条件与参数设置 ①　通用设置 模拟中将泄漏的天然气简化为不可压缩气体，因此Fluent采用压力基求解器进行非稳态运算，选取压力与速度耦合的PISO算法。模拟考虑重力以及浮力对隧道内天然气泄漏扩散的影响，并打开浮力效应Full，设定 z 方向重力加速度为-9.81 m/s 2 。 ②　模型设置 在进行相同工况的数值模拟时，打开能量方程，选择标准的 k - ε 模型，打开组分输运模型，设置混合物质为methane-air。 ③　边界条件 CNG气瓶车保持静止，当CNG气瓶车泄漏时，泄漏孔设置成质量入口边界，质量流率设置成UDF Mass-Flow，泄漏孔天然气温度设置为220 K，采用虚拟喷嘴模型 [ 12 ] 。当泄漏结束后，泄漏孔设置成无滑移静止壁面。CNG气瓶车、隧道墙壁、地面、顶棚设置成无滑移静止壁面。隧道出口设置为压力出口，绝对压力为101 325 Pa。当研究环境风速对隧道内天然气泄漏扩散的影响时，隧道入口设置为速度入口，速度范围为1~10 m/s。当研究泄漏孔朝向、泄漏孔直径对隧道内天然气泄漏扩散的影响时，隧道入口设置为压力出口，绝对压力为101 325 Pa。 ④　初始条件 CNG气瓶车发生泄漏之前，隧道内甲烷体积分数设为0。隧道两端与外界大气相连通，其初始压力设定为标准大气压101 325 Pa，隧道内部温度与当前环境温度保持一致，为293 K。隧道内空气组成为O 2 体积分数为23.3%，N 2 体积分数为76.7%。CNG气瓶车的具体参数为，CNG压力为20 MPa，CNG温度为293 K，共装有8个气瓶，每个气瓶的容积均为2.2 m 3 。 3. 泄漏扩散模拟结果分析 3.1 泄漏孔朝向的影响 设定泄漏孔直径为20 mm，隧道内风速为0，分别考虑泄漏孔朝向为+ z 、+ y 、- z 的工况，探讨泄漏孔朝向的影响。 泄漏孔朝向为+ z 时可爆燃气云分布（ y =0截面）见 图3 。泄漏初期，甲烷在高压作用下迅速从泄漏孔喷出，此时甲烷扩散主要受初始动量影响，在初始动量与浮力的双重作用下，甲烷迅速向上方蔓延，泄漏时间为1 s时，可爆燃气云已经与隧道顶棚发生接触并沿棚顶扩散，此时隧道处于无风状态，甲烷为自然扩散，可爆燃气云在 y 轴方向呈对称分布。泄漏时间为1、11、31 s时处于泄漏初期，隧道内可爆燃气云体积处于上升阶段，并且由于受到气瓶车阻碍，可爆燃气云呈现两端不对称的现象。泄漏时间为71、101 s时处于泄漏中期，可爆燃气云主要聚集在隧道顶棚，随着泄漏时间增加，可爆燃气云在 x 轴方向扩散距离增加，同时可爆燃气云厚度减小。泄漏时间为131 s时处于泄漏后期，只有泄漏孔附近以及隧道顶棚有少量可爆燃气云。 图3     泄漏孔朝向为+ z 时可爆燃气云分布（y=0截面，软件截图） 泄漏孔朝向- z 时可爆燃气云分布( y =0截面)见 图4 。泄漏时间为1、11、31 s时处于泄漏初期，初始动量的影响及气瓶车阻挡导致可爆燃气云主要集中在泄漏孔附近。泄漏时间为71、101 s时处于泄漏中期，受浮力以及气瓶车阻挡的影响，气瓶车附近聚集的可爆燃气云逐渐向隧道顶棚扩散并向两侧蔓延。泄漏时间为131 s时处于为泄漏后期，只有泄漏孔附近有少量可爆燃气云。 图4     泄漏孔朝向- z 时可爆燃气云分布（ y =0截面，软件截图） 不同朝向泄漏孔可爆燃气云体积随时间变化曲线见 图5 。泄漏孔朝向为+ z 、+ y 、- z 方向时，可爆燃气云体积随时间的变化均呈现先上升后下降的趋势，可爆燃气云体积存在最大值。泄漏初期，当泄漏孔朝向为- z 时，可爆燃气云体积迅速增大，因为泄漏孔朝下，甲烷向下流动并迅速沉积在地面附近，形成一个较厚的气云层。在这种情况下，可爆燃气云体积增长速度更快，并且受气瓶车的阻挡，聚集的可爆燃气云不容易扩散，相对于朝向+ z 、+ y 方向来说，可爆燃气云体积达到最大值所需的时间更短，体积最大值也更大。 图5     不同朝向泄漏孔可爆燃气云体积随时间变化曲线 3.2 泄漏孔直径的影响 CNG气瓶车后部连接管最大内直径为32 mm，选取泄漏孔直径分别为30、25、20、15 mm来研究泄漏孔直径对甲烷泄漏扩散的影响，设置泄漏孔朝向为+ z ，隧道处于无风状态。 不同泄漏孔直径可爆燃气云体积随时间变化曲线见 图6 。在同一时间，隧道内可爆燃气云体积与泄漏孔直径基本成正相关关系。泄漏时间为0~200 s，可爆燃气云体积随泄漏时间增加表现出先增加后减少的趋势，可爆燃气云体积存在最大值。这是由于随着泄漏孔直径增大，甲烷的泄漏速度和泄漏流量均增大，进而促使可爆燃气云体积迅速增大。泄漏孔直径越大，则可爆燃气云体积最大值越大，达到可爆燃气云体积最大值的时间越短。 图6     不同泄漏孔直径可爆燃气云体积随时间变化曲线 3.3 环境风速的影响 探究泄漏孔朝向为+ z 、泄漏孔直径为20 mm时，环境风速对可爆燃气云体积的影响。环境风速1~10 m/s时可爆燃气云体积随时间变化曲线见 图7 。 图7     环境风速1~10 m/s时可爆燃气云体积随时间变化曲线 当环境风速为1~3 m/s时，可爆燃气云体积出现多个极大值。较大的环境风速会加速甲烷的扩散，从而使可爆燃气云体积减小。环境风速越大，可爆燃气云体积最大值越小。当环境风速为5~7 m/s时，随着环境风速增大，可爆燃气云体积最大值从200 m 3 减少到192 m 3 ，环境风速增加对于减小隧道内可爆燃气云体积最大值效果不明显，环境风速增加会缩短达到最大可爆燃气云体积的时间。当环境风速为8~10 m/s时，随着环境风速增大，可爆燃气云体积最大值从82.8 m 3 减小至58.3 m 3 ，与环境风速为5~7m/s相比可爆燃气云体积最大值显著减小，但是达到最大可爆燃气云体积所需时间非常相近。 4. 结论 ①　CNG气瓶车泄漏孔朝向地面时，因受到地面以及车辆的阻挡，甲烷的扩散速率较小，可爆燃气云体积增长速度最快，可爆燃气云体积最大值也大于其他泄漏孔朝向。 ②　泄漏孔直径为15 ~30 mm时，泄漏孔直径越大，则可爆燃气云体积最大值越大，达到可爆燃气云体积最大值的时间越短。 ③　环境风速1~10 m/s时，环境风速越大，则可爆燃气云体积最大值越小，达到可爆燃气云体积最大值的时间也越短。 ④　在公路隧道CNG气瓶车安全管理中，应重点防控大泄漏孔直径、泄漏孔朝向地面、低环境风速带来的泄漏事故风险。 1. 栾立群 .  我国天然气行业SWOT分析及发展对策 [J].  煤气与热力 ,  2012 ( 7 ):  B40 - B43 . 2. 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In this case，the volume of the explosive gas cloud grows the fastest，and its maximum volume is larger than those under other leakage orifice orientations. When the leakage orifice diameter ranges from 15 mm to 30 mm，a larger diameter results in a greater maximum volume of the explosive gas cloud and a shorter time to reach this maximum volume. When the ambient wind speed ranges from 1 m/s to 10 m/s，a higher wind speed leads to a smaller maximum volume of the explosive gas cloud and a shorter time to reach this maximum volume. In the safety management of CNG cylinder vehicles in highway tunnels，priority should be given to preventing and controlling leakage accident risks caused by large‑diameter orifices，downward‑facing leak configurations，and low‑wind‑speed operational conditions. Keywords CNG cylinder vehicle ； highway tunnel ； CNG leakage and diffusion ； explosive gas cloud volume 引用本文： 杨盈盈,黄小美,陈刘洋,等.公路隧道CNG气瓶车泄漏扩散特性模拟研究[J].煤气与热力,2026,46(05):59-63. 第一作者： 杨盈盈，女，硕士生，研究方向为燃气安全。 中图分类号： TU996.7 文章编号： 1000-4416（2026）05-0059-05 文献标识码： A 责任编辑： 马艳   声明： 本文著作权归《煤气与热力》杂志社有限公司所有。