燃气管道泄漏对内部流场影响的数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了燃气管道泄漏对内部流场影响的数值模拟方法，它涉及燃气技术领域；它的模拟方法如下：建立模拟软件；燃气管道泄漏建模及仿真分析；燃气管道泄漏数值结果分析；本发明专利技术对燃气管道泄漏前后，管道内部流场的变化进行分析；根据CFD计算流体力学知识，用Fluent对燃气管道泄漏进行模拟，根据流体力学理论，分析得到燃气管道泄漏前后燃气管道内部流场的特点；根据流体力学理论，分析得到燃气管道泄漏前后燃气管道内部流场的特点；根据CFD计算流体力学知识，对不同泄漏条件下的燃气管道泄漏进行模拟，入口压力越大，则越容易发生泄漏事故；泄漏孔径越大，泄漏孔周围高浓度区域所占比例也増大。

Numerical simulation method for the effect of gas pipeline leakage on internal flow field

The invention discloses a method for numerical simulation of gas pipeline leakage of the internal flow field, it relates to the technical field of fuel gas; it follows simulation method: establishing simulation software; modeling and simulation analysis of the leakage of gas pipeline leakage; numerical results analysis of gas pipeline; and the invention of gas pipeline leakage, analyzes the change of the inner flow field of pipeline; the computational fluid dynamics based on CFD, the simulation of gas pipeline leakage with Fluent, according to the theory of fluid mechanics, analysis of characteristics of internal flow field of the gas pipeline leakage and gas pipeline; according to the fluid mechanics theory, analysis of characteristics of internal flow field of the gas pipeline leakage and gas pipeline; computational fluid mechanics knowledge according to CFD, the gas pipeline is different under the condition of simulated leakage leakage, entrance pressure is, the more easily leak accident The larger the aperture; leakage, leak around the high concentration area proportion increases.

【技术实现步骤摘要】
燃气管道泄漏对内部流场影响的数值模拟方法
：本专利技术涉及燃气管道泄漏对内部流场影响的数值模拟方法，属于燃气

技术介绍
：当今燃气管道运输现己成为最为便捷、经济的运输方式。但当燃气管道因土壤腐蚀，管道老化或者其他方破坏等原因发生泄漏时，如不能及时探测到泄漏点的位置，就会影响抢险时间，因而探究燃气管道的泄漏扩散规律对于泄漏点的准确定位、泄漏防范等都具有十分重要的意义。且当发生泄漏事故后，若能用最短的时间确定泄漏源的参数，从而进一步的划分紧急疏散区域，则可以为决策者启动应急响应提供依据，从而减少财产损失和人员伤亡。如今随着我国经济的高速发展，石油化工等行业日益壮大，从事危险化学品生产制造的规模越来越大，燃气管道的运输，使用也越来越多，从而发生了数量巨大的燃气泄漏事故。燃气管道泄漏之所以可怕，是因为它一旦泄漏造成危害性是十分巨大的，会使大面积的人员财产受到威胁。仅2016年全年全国各地每月因为燃气管道泄漏造成的事故就达到70多起，在众多事故中，很多事故是由于救援不及时或无法准确确定事故发生中心具体信息，造成了救援的滞后性和漫无目的性。因此，对于燃气管道泄漏事故的研究分析十分必要。我国目前在危险品泄漏事故相关的研究课题中处于起步阶段，相关领域处于理论研究阶段，对于一旦发生危险品泄漏事故，人员撤退财产转移距离尚无确定理论依据。直到现在，我国目前采用的还是美国、加拿大联合编制的ERG2000中的统计数据，由于没有具体转移距离，在发生事故后，人员和财产的转移往往根据现场处置人员的经验，误差较大。不仅泄漏时难以发现，就是很多燃气管道事故发生时，也只能凭感觉进行人员疏散，致使人们造成了极大的损失，耗费了大量人力物力，甚至付出了生命的代价。为了实现安全的运行燃气管线，就需要具备丰富的燃气管道科学理论及先进的技术方法。对于我国燃气管线的安全防范主要通过巡查的方式，而当泄漏发生后对泄漏地点的定位则采用地面检测仪检测或打孔的方式，耗时较长并且不能很好的实现准确定位。因此，为了减少事故损失，降低泄漏点的排査时间，迫切的需要对燃气管线的泄漏过程进行探究，以便预防管道泄漏事故。国内外研究现状分析：危险源发生泄漏后，快速而准确地确定危险源的参数信息是极其重要的，在一些突发的条件下，或者在信息有限的情况下用最短的时间确定泄漏源的参数，从而进一步的划分紧急疏散区域，为决策者启动应急响应提供依据，因此对突然泄漏的危险源的源参数研究可以支持应急响应决策，从而减少财产损失和人员伤亡。这样不仅能够涵盖泄漏事故的源强反算中所蕴含的科学问题，同时通过泄漏事故下的关键问题的问题研究，为可以真正实现突发泄漏事故条件下，对泄漏的解决提供方案。近年来国内外一些典型的城市燃气管道泄漏事故，一个个数字触目惊心，人员伤亡惨重，资源极大浪费。而在国内，2017年1月，在短短不到一个月的时间内，仅我国就发生42起燃气事故，共造成60余人受伤9人死亡，对居民造成人身伤害和财产损失，对社会造成经济损失和资源浪费。应强烈重视并认真分析管道事故发生的原因以及保护措施才能更好的杜绝此类灾难的发生。在关于管道泄漏的实验研究方法中，国外的学者早在20世纪末就展开了系统的研究，燃气泄漏过程的主要研究是气体泄漏率的计算。泄漏模型的研究开展较早，Levenspiel在《工程流体流动与传热》中提出了储罐发生管道全截面断裂和孔隙泄漏时泄漏量的计算模型；尼日利亚学者Olorunmaiye和英国学者Catlin分别用特征值法和流体力学方法计算了高压输气管线完全破裂时的气体泄漏率。而近些年，国内的相关学者也做了相关的实验研究，对燃气小孔及大孔泄漏强度测定试验台，对不同孔径下的泄漏强度进行测定。运用数据采集系统和GasClam地下气体在线监测仪，对城市中低压燃气管线由于腐蚀等原因造成的小孔泄漏进行实验探究，采用全尺度的实验系统，分析天然气在土壤中的分布扩散规律，表明气体的泄漏浓度随时间呈S型曲线变化，为今后的实验及模拟研究提供了很好的数据支撑。但是这些实验研究也都是实验室中模仿的近似实验，并不是真正意义上的燃气泄漏仿真实验，由于燃气(燃气主要指天然气，主要成分为甲烷)具有易燃易爆的特点，真实的实验具有很大的危险性。取而代之大多研究都是建立在数值模拟的基础上进行探讨的。目前世界上对燃气管道泄漏问题的研究并不成熟。以往的研究通常只是用假设条件建立数学模型或只加入一些简单的影响因素进行模拟分析。国内对天然气管道泄漏后数值模拟仿真与扩散的特性分析还有待深入与提高。
技术实现思路
：针对上述问题，本专利技术要解决的技术问题是提供燃气管道泄漏对内部流场影响的数值模拟方法。本专利技术的燃气管道泄漏对内部流场影响的数值模拟方法，它的模拟方法如下：步骤一：建立模拟软件：当建模完成后，要进行网格划分；应用FLUENT软件模拟可分为以下3步：(1)、前处理阶段,用Gambit完成；(2)、求解阶段,用fluent完成；(3)、后处理阶段，用tecplot完成；在前处理阶段采用前处理器Gambit软件完成，其中含有的非结构化网格生成程序为相对复杂的几何结构生成网格，其在二维几何体和三维几何体下均可生成网格，但人工生成的网格比软件中生成的网格数小一些，在内存的消耗上也会小一些；而模拟计算的处理部分－求解阶段采用Fluent软件，操作包含选择求解方程、设定流体材料和物性、设定边界参数和求解控制参数、求解离散方程、结果可视化；针对后处理阶段，对于没有局部加密的网格可采用tecplot进行后处理，而对于有局部加密的网格采用Fluent中自带的后处理功能进行处理即可；步骤二：燃气管道泄漏建模及仿真分析：2.1、FLUENT数值模拟计算及操作：采用Fluent进行模拟仿真，第一步在Gambit中进行物理模型的建立，然后进行网格的划分，设置边界条件的选用，输出Mesh文件后，可进行下一步；第二步在Fluent中选择求解方程、所需模型，并进一步设定边界条件和控制参数，并开始计算，得出结果可进行下一步操作；第三步将Fluent求解完毕后保存的文件导入Tecplot中进行后处理；2.1.1FLUENT求解器及设置：Fluent提供了两种求解器类型，一种是基于压力的求解器，另一种是基于密度的求解器；采用基于压力的求解器；2.1.2FLUENT运行环境设置：打开Fluent软件的运行环境的设置中，可以看到需要设置计算参考压力和重力两个选项；在Fluent中，压力是相对于运行参考压力的相对压力值，也就是相对压力；参考压力为大气环境压力，设为标准大气压101325Pa，参考压力位置选择默认点(0，0，0)进行研究；在Fluent中实现上面的设置，然后再在General中选择瞬态模拟，泄漏过程中重力的改变对于泄漏过程影响较大，因此需考虑重力影响；由于燃气泄漏速度较快，所以开启Gravity并设置重力加速度为Y轴方向的-9.8m/s2；2.1.3FLUENT计算模型选择：当运行环境设置好，求解器格式选择定之后，选择计算模型，其采用湍流模型，然后在Models中开启能量方程，k-ε方程和组分输运方程，选择组分传输模型，并定义组分为甲烷和空气；由于Fluent自身附带有材料数据库，所以直接选用；当然，也可以根据需要自定义新材料或修改已有材料的参数和属本文档来自技高网...

【技术保护点】
燃气管道泄漏对内部流场影响的数值模拟方法，其特征在于：它的模拟方法如下：步骤一：建立模拟软件：当建模完成后，要进行网格划分；应用FLUENT软件模拟可分为以下3步：(1)、前处理阶段,用Gambit完成；(2)、求解阶段,用fluent完成；(3)、后处理阶段，用tecplot完成；在前处理阶段采用前处理器Gambit软件完成，其中含有的非结构化网格生成程序为相对复杂的几何结构生成网格，其在二维几何体和三维几何体下均可生成网格，但人工生成的网格比软件中生成的网格数小一些，在内存的消耗上也会小一些；而模拟计算的处理部分－求解阶段采用Fluent软件，操作包含选择求解方程、设定流体材料和物性、设定边界参数和求解控制参数、求解离散方程、结果可视化；针对后处理阶段，对于没有局部加密的网格可采用tecplot进行后处理，而对于有局部加密的网格采用Fluent中自带的后处理功能进行处理即可；步骤二：燃气管道泄漏建模及仿真分析：2.1、FLUENT数值模拟计算及操作：采用Fluent进行模拟仿真，第一步在Gambit中进行物理模型的建立，然后进行网格的划分，设置边界条件的选用，输出Mesh文件后，可进行下一步；第二步在Fluent中选择求解方程、所需模型，并进一步设定边界条件和控制参数，并开始计算，得出结果可进行下一步操作；第三步将Fluent求解完毕后保存的文件导入Tecplot中进行后处理；2.1.1、FLUENT求解器及设置：Fluent提供了两种求解器类型，一种是基于压力的求解器，另一种是基于密度的求解器；采用基于压力的求解器；2.1.2、FLUENT运行环境设置：打开Fluent软件的运行环境的设置中，可以看到需要设置计算参考压力和重力两个选项；在Fluent中，压力是相对于运行参考压力的相对压力值，也就是相对压力；参考压力为大气环境压力，设为标准大气压101325Pa，参考压力位置选择默认点(0，0，0)进行研究；在Fluent中实现上面的设置，然后再在General中选择瞬态模拟，泄漏过程中重力的改变对于泄漏过程影响较大，因此需考虑重力影响；由于燃气泄漏速度较快，所以开启Gravity并设置重力加速度为Y轴方向的‑9.8m/s...

【技术特征摘要】
1.燃气管道泄漏对内部流场影响的数值模拟方法，其特征在于：它的模拟方法如下：步骤一：建立模拟软件：当建模完成后，要进行网格划分；应用FLUENT软件模拟可分为以下3步：(1)、前处理阶段,用Gambit完成；(2)、求解阶段,用fluent完成；(3)、后处理阶段，用tecplot完成；在前处理阶段采用前处理器Gambit软件完成，其中含有的非结构化网格生成程序为相对复杂的几何结构生成网格，其在二维几何体和三维几何体下均可生成网格，但人工生成的网格比软件中生成的网格数小一些，在内存的消耗上也会小一些；而模拟计算的处理部分－求解阶段采用Fluent软件，操作包含选择求解方程、设定流体材料和物性、设定边界参数和求解控制参数、求解离散方程、结果可视化；针对后处理阶段，对于没有局部加密的网格可采用tecplot进行后处理，而对于有局部加密的网格采用Fluent中自带的后处理功能进行处理即可；步骤二：燃气管道泄漏建模及仿真分析：2.1、FLUENT数值模拟计算及操作：采用Fluent进行模拟仿真，第一步在Gambit中进行物理模型的建立，然后进行网格的划分，设置边界条件的选用，输出Mesh文件后，可进行下一步；第二步在Fluent中选择求解方程、所需模型，并进一步设定边界条件和控制参数，并开始计算，得出结果可进行下一步操作；第三步将Fluent求解完毕后保存的文件导入Tecplot中进行后处理；2.1.1、FLUENT求解器及设置：Fluent提供了两种求解器类型，一种是基于压力的求解器，另一种是基于密度的求解器；采用基于压力的求解器；2.1.2、FLUENT运行环境设置：打开Fluent软件的运行环境的设置中，可以看到需要设置计算参考压力和重力两个选项；在Fluent中，压力是相对于运行参考压力的相对压力值，也就是相对压力；参考压力为大气环境压力，设为标准大气压101325Pa，参考压力位置选择默认点(0，0，0)进行研究；在Fluent中实现上面的设置，然后再在General中选择瞬态模拟，泄漏过程中重力的改变对于泄漏过程影响较大，因此需考虑重力影响；由于燃气泄漏速度较快，所以开启Gravity并设置重力加速度为Y轴方向的-9.8m/s2；2.1.3FLUENT计算模型选择：当运行环境设置好，求解器格式选择定之后，选择计算模型，其采用湍流模型，然后在Models中开启能量方程，k-ε方程和组分输运方程，选择组分传输模型，并定义组分为甲烷和空气；由于Fluent自身附带有材料数据库，所以直接选用；当然，也可以根据需要自定义新材料或修改已有材料的参数和属性；2.1.4、FLUENT初始条件和边界条件设置：模拟计算的初始条件设定为：燃气管道处于未泄漏状态前，浓度和速度都为零，流场内充满空气并保持稳定状态，燃气管道处于未泄漏状态后，压力入口为0.4Mpa，内径忽略，以1m/s的速度流入；2.1.5、FLUENT求解参数设置：采用Fluent进行模拟仿真，第一步在Gambit中进行物理模型的建立、网格的划分、边界条件的选用；第二步在Fluent中选择求解方程、所需模型，并进一步设定边界条件和控制参数，并开始计算；最后将Fluent求解完毕后保存的文件导入Tecplot中进行后处理，直接显示图像或将图像逐帧播放观看，Fluent所保存文件中所包含的具体数据也可在其中调用；设置完成以后就对初始条件和边界条件进行初始化，然后设置步长进行模拟计算；2.2、直管和T管模型建立和图片输出：采用2种建模模型，一为概念建模；二为参数化建模，用这两种方法，并通过直管，T行管和复杂管来实际操作建模流程；采用数值方法求解控制方程时，都是想办法将控制方程在空间区域上进行离散，然后求解得到的离散方程组；要...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明，孙超，常瑞倩，安海琴，于彬，常嘉文，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23