假设该海底掺氢天然气管道被锚断部分的管段为完全断裂状态，泄漏孔径尺寸即为管径813 mm。管道被锚断后从海床表面露出，因此只需考虑泄漏气体在海水中的扩散情况。锚断泄漏工况共设置6个算例（表1），重点分析掺氢比与海水深度对泄漏扩散规律的影响，其中掺氢比分别设为5％、10％、15％、20％共4种；根据管道所经过海域情况，海水深度分别设为5 m、12 m、27 m共3种。

表1 海底管道锚断泄漏算例参数设置表Table 1 Parameters of computation cases for anchor break leakage of submarine pipeline

以算例3为例，对海底管道锚断泄漏计算区域进行几何建模与网格划分。计算区域取长50 m、宽27 m的二维计算区域（图1），管道断裂位置位于该二维计算区域的左下方（图1a蓝色线段），海水从左向右流动。采用结构化网格对计算区域进行网格划分（图1b），并对断裂位置区域进行局部网格加密（图1b红色虚线区域），经网格无关解验证后总网格数取108 782个。

图1 海底管道锚断泄漏计算区域及网格划分图Fig. 1 Computation and meshing range for anchor break leakage of submarine pipeline

计算区域中管道断裂位置处设为速度边界，掺氢天然气由该边界泄漏流出。左边界为海水的速度入口边界，在ANSYS Fluent软件中设置其余边界条件（表2）。假设初始时刻计算区域内充满海水，掺氢天然气在海水中的初始浓度为0，泄漏区域内的初始压力为所在海水深度的水压。

表2 锚断泄漏计算区域边界条件设置表Table 2 Boundary conditions and parameters of computation range for anchor break leakage of submarine pipeline

在海底管道小孔泄漏工况中设置8个算例（表3），重点研究掺氢比、海床深度、管道埋深、泄漏孔径对泄漏扩散的影响规律。

表3 海底管道小孔泄漏算例参数设置表Table 3 Parameters of computation cases for aperture leakage of submarine pipeline

算例1、2、3中的管道泄漏位置分别对应海底管道中的两个深海低洼段与一个浅海段，以算例3为例，对海底管道小孔泄漏计算区域进行几何建模及网格划分。计算区域取长30 m、高25.51 m的二维区域（图2），其中海床区域高度为5 m，海水至海平面高度为20.51 m，管道的泄漏孔直径为0.01 m（图2a蓝色线段），管道为图2a中的下边界红色线段。

采用结构化网格对计算区域进行网格划分，并对小孔泄漏位置进行局部网格加密，经网格无关解验证后总网格数取364 372个（图2b）。

图2 海底管道小孔泄漏计算区域及网格划分图Fig. 2 Meshing of computation range for aperture leakage of submarine pipeline

将计算区域中小孔泄漏位置处设置为压力入口边界，掺氢天然气由该边界流入计算区域。海床泥沙区域为多孔介质，初始时刻泥沙孔隙中填充满海水，海床泥沙区域的上表面与海水之间通过Interface边界条件连接，且海床的左右边界均为壁面边界，海水区域中水流从左向右流动，在ANSYS Fluent软件中设置具体边界条件（表4）。

表4 海底管道小孔泄漏计算区域边界条件设置表Table 4 Boundary conditions and parameters of computation range for aperture leakage of submarine pipeline

以掺氢比5％的工况为例，根据海底管道锚断泄漏时不同泄漏时间t下掺氢天然气泄漏扩散情况（图4）可见，掺氢天然气泄漏后受到浮力的作用从海底向上扩散，但受海水流速的影响，泄漏气团整体向右偏移。在泄漏初始阶段，掺氢天然气在管道内压的作用下从泄漏口喷射进入海水，高速气体因海水的阻碍在泄漏口上方流速急剧减小，被海水包裹形成气团。随着泄漏的持续进行，在浮力作用下泄漏气团继续向上运动并逐渐破碎成多个气泡，经过约9.6 s后，气泡开始从海水表面溢出。

图4 不同泄漏时间下海底管道锚断泄漏气体扩散云图Fig. 4 Gas diffusion contours under anchor break leakage of submarine pipeline for different leakage durations

以表1中的算例3~算例6为例，根据不同泄漏时间及掺氢比下泄漏的掺氢天然气在海水中沿水平与竖直方向的扩散距离变化曲线（图5）可见，泄漏气体的水平扩散距离与竖直扩散距离均随泄漏时间的增加呈现近似线性升高的趋势。由于海水流速受海水深度的影响，随着竖直扩散距离增加，海水流速变小，泄漏气体的水平扩散速度逐渐变缓。同一泄漏时刻下，随着掺氢比增加，泄漏气体的水平扩散距离与竖直扩散距离均缓慢增大，这是由于氢气密度较甲烷小，天然气中掺氢后的混合气体所受浮力增大。

图5 海底管道锚断泄漏气体沿水平与竖直方向的扩散距离变化曲线Fig. 5 Variation curves of gas diffusion distance under anchor break leakage of submarine pipeline in horizontal and vertical directions

根据海底管道锚断泄漏时不同掺氢比下泄漏的掺氢天然气溢出海面所需时间（图6）可见，当掺氢比分别为5％、10％、15％、20％时，泄漏气体溢出海面的时间分别为11.7 s、11.4 s、10.6 s、9.8 s。随着掺氢比增大，泄漏气体溢出海面的所需时间逐渐减少。如果海面上有点火源，则掺氢后发生燃爆的时间会提前。

图6 不同掺氢比下海底管道锚断泄漏气体溢出海面所需时间对比图Fig. 6 Comparison of time spent for leaking gas from anchor break of submarine pipeline to reach sea surface across different hydrogen blending ratios

以表1中的算例1~算例3为例，研究了不同海水深度对管道锚断泄漏的掺氢天然气扩散的影响。根据泄漏时间为5 s时不同海水深度下锚断泄漏的掺氢天然气的扩散情况（图7）与不同海水深度下泄漏的掺氢天然气溢出海面所需要的时间（图8）可见，27 m、12 m、5 m海水深度对应泄漏的掺氢天然气溢出海面的时间分别为9.6 s、4.3 s、1.9 s。海水越深，泄漏掺氢天然气到达海面的时间越长，海水深度与泄漏的掺氢天然气溢出海面的所需时间呈正相关变化。

图7 5 s时不同海水深度下海底管道锚断泄漏气体扩散云图Fig. 7 Gas diffusion contours under anchor break leakage of submarine pipeline for different seawater depths at 5 s

图8 不同海水深度下海底管道锚断泄漏气体溢出海面所需时间对比图Fig. 8 Comparison of time spent for leaking gas from anchor break to reach sea surface across different seawater depths

以掺氢比5％的工况为例，根据海底管道小孔泄漏时不同泄漏时间下掺氢天然气的泄漏扩散情况（图9）可见，由于海床泥沙区域受海水流动的影响微弱，该区域内泄漏的掺氢天然气呈现接近于对称形状的扩散分布。泄漏的掺氢天然气在海床泥沙中的扩散过程受到泥沙中多孔介质的黏性阻力与惯性阻力，其扩散过程较锚断泄漏中的扩散过程更为缓慢，约10 s之后扩散到海水区域，随后泄漏的掺氢天然气受到海水流速作用开始向右偏移。泄漏的掺氢天然气进入海水区域后形成小气团，并沿水平方向与竖直方向扩散。

图9 不同泄漏时间下海底管道小孔泄漏气体扩散云图Fig. 9 Gas diffusion contours under aperture leakage of submarine pipeline for different leakage durations

以表3中的算例2、4、5、6为例，给出了不同掺氢比下泄漏的掺氢天然气在海水中沿水平与竖直方向的扩散距离随泄漏时间的变化（图 10）。可见，随着掺氢比的增加，相同时刻下泄漏的掺氢天然气的扩散距离逐渐增大。竖直方向上10 s时泄漏的掺氢天然气的扩散速度迅速增大，主要是由于泄漏的掺氢天然气从海床泥沙中溢出后受到的阻力瞬间减小。在16 s时，掺氢比分别为5％、10％、15％、20％的泄漏的掺氢天然气，沿水平方向的扩散距离分别为13.8 m、15.0 m、16.1 m、18.8 m，而沿竖直方向的扩散距离则分别为13.0 m、14.1 m、16.51 m、18.24 m。

图 10 海底管道小孔泄漏气体沿水平与竖直方向的扩散距离变化曲线Fig. 10 Variation curves of gas diffusion distance under aperture leakage of submarine pipeline in horizontal and vertical directions

由不同掺氢比下海底管道小孔泄漏的掺氢天然气溢出海面所需要的时间（图 11）可见，当掺氢比分别为5％、10％、15％、20％时，泄漏的掺氢天然气溢出海面所需要的时间分别为26.8 s、23.6 s、20.8 s、17.6 s。随着掺氢比的增大，泄漏的掺氢天然气溢出海面的所需时间逐渐减少。

图 11 不同掺氢比下海底管道小孔泄漏气体溢出海面所需时间对比图Fig. 11 Comparison of time spent for leaking gas from apertures of submarine pipeline to reach sea surface across different hydrogen blending ratios

以表3中的算例2、7、8为例，根据不同泄漏孔径与泄漏时间下泄漏的掺氢天然气沿水平与竖直方向的扩散距离变化（图 12）可见，随着泄漏孔径尺寸的增大，相同时刻下泄漏的掺氢天然气的扩散距离逐渐变大。当泄漏孔径为30 mm时，约10 s时泄漏的掺氢天然气就会溢出海面；当泄漏孔径为20 mm时，约12 s时泄漏的掺氢天然气就会溢出海面；当泄漏孔径为10 mm时，约26.8 s后泄漏的掺氢天然气才会溢出海面。

图 12 不同泄漏孔径下海底管道小孔泄漏气体沿水平与竖直方向的扩散距离变化曲线Fig. 12 Variation curves of gas diffusion distance under aperture leakage of submarine pipeline in horizontal and vertical directions for different aperture sizes