【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及油气安全，特别是涉及一种基于cfd的高压掺氢天然气管道泄漏特性模拟方法。
技术介绍
1、氢能是公认的具有广阔应用前景的清洁能源，它具有储运方便、利用途径多样、高利用率以及来源广泛等优点，可为解决能源危机、全球变暖和环境污染提供帮助。氢气的低热值是天然气、汽油等传统燃料的两倍以上，燃烧产物仅为水，这意味着零碳排放。与传统的化石燃料不同，氢能可能成为推动能源改革、实现碳中和的重要途径。氢气运输是氢能产业链的重要环节。对于氢气的长距离运输来说，管道无疑是一种经济高效的选择。为缩短过渡期，并考虑经济和安全因素，在天然气中添加一定比例的氢气，利用现有的天然气管道或管网进行输送，可能是实现大规模氢气输送的最佳途径。
2、目前，天然气管道输送技术已经基本成熟，但是掺入氢气后，会带来新的技术以及安全问题。甲烷和氢气都是易燃易爆气体，爆炸极限范围分别为5–15vol％和4–75.6vol％。由于氢气更易泄漏、在空气中爆炸极限范围更宽、最小点火能远低于甲烷，氢气的掺入会加剧管道泄漏后发生燃烧和爆炸等事故的风险。
3、气体泄漏膨胀存在临界和亚临界两种流动状态。临界流动指气体经泄漏口膨胀，在出口处流速达到当地声速，流量达到最大值，但压力并未膨胀至大气压。气体流出泄漏口后继续膨胀降压，形成欠膨胀射流形貌。亚临界流动指气体在泄漏口处完全膨胀至大气压，在泄漏口外形成自由射流。当掺氢天然气管道运行压力大于临界压力(0.19mpa)就会形成欠膨胀射流。高压长输管道运行压力范围为1.5–12mpa，均远高于临界压力，故高压掺氢
4、为了捕捉欠膨胀射流的细节特征，需要非常密集的网格。此外，欠膨胀射流瞬态cfd模拟所需的时间步长在10-7–10-5s范围内。另一方面，扩散建模非常耗费空间。泄漏气体需要在足够大的区域进行扩散，以免受到边界条件的不利影响。对于包括泄漏和扩散域的整体cfd模型，所需的计算时长令人无法接受。因此，本专利技术提出了一种基于cfd的高压掺氢天然气管道泄漏特性模拟方法，将高压掺氢天然气管道泄漏过程划分为近场射流阶段和远场扩散阶段，使用射流模型中计算的扩散源强度作为后续扩散模型入口边界可实现对整个泄漏场的准确描述。
技术实现思路
1、本专利技术将高压掺氢天然气管道泄漏过程划分为近场射流阶段和远场扩散阶段，使用射流模型中计算的扩散源强度作为后续扩散模型入口边界，提出了一种基于cfd的高压掺氢天然气管道泄漏特性模拟方法，克服了现有方法由于计算资源限制难以捕捉到泄漏口欠膨胀射流结构，进而不能对后续扩散浓度场进行准确描述的问题。
2、本专利技术是通过以下技术方案实现的：
3、上述的一种基于cfd的高压掺氢天然气管道泄漏特性模拟方法，包括以下步骤：
4、步骤1，选取典型高压掺氢天然气管道泄漏过程为研究对象，将高压掺氢天然气管道泄漏过程划分为近场射流阶段和远场扩散阶段；确定高压掺氢天然气管道泄漏工况，主要包括管道运行压力、泄漏孔径以及掺氢比；计算泄漏孔射流条件；
5、泄漏孔处掺氢天然气压力、温度、密度以及流速计算公式：
6、
7、
8、式中：p0为管道运行压力，pa；t0为管道运行温度，k；γ为绝热指数；r为通用气体常数；pe为泄漏孔压力，pa；te为泄漏孔温度，k；ρe为泄漏孔处掺氢天然气密度，kg/m3；ue为泄漏孔处掺氢天然气流速，m/s；
9、临界流动的泄漏率计算公式：
10、
11、式中：q为气体泄漏率，kg/s；ae为泄漏孔面积，m2；
12、步骤2，建立射流区域几何模型；采用二维轴对称计算域来降低计算资源成本，射流模型由泄漏孔以及环境大气区域组成；采用非结构网格划分方法对射流区域进行网格划分；欠膨胀射流结构的速度和压力梯度相对较大，为了减少计算时间并保证数值模拟的准确性，对泄漏孔附近区域的网格进行局部加密；并对射流区域的网格进行无关性验证；
13、步骤3，射流cfd模型的建立与求解；控制方程包括质量、动量和能量守恒方程，组分输运方程计算掺氢天然气各组分摩尔分数，状态方程选用peng-robinson方程，湍流模型选用k-ε模型；射流模型入口边界条件根据泄漏孔射流条件确定，出口边界采用压力出口；由于近场射流的速度非常高，因此可以忽略重力的影响；选用双精度压力求解器，采用simple算法进行压力-速度耦合；为保证计算精度，湍流动能和湍流耗散率采用二阶迎风格式离散，瞬态方程采用二阶隐式格式；设置时间步长为10-5s，时间步数为5000步，时间步长的最大迭代次数为50次；
14、步骤4，分析高压掺氢天然气射流特性；因射流速度达到音速，射流区域在短时间内会达到稳定状态，只分析射流场稳定后的流场特性；确定射流区域的速度、马赫数、压力、温度、h2摩尔分数以及ch4摩尔分数；采用非线性曲线拟合boltzmann模型对10xm(xm是从射流出口到马赫盘的距离)截面处的扩散源强度(速度、温度、h2摩尔分数以及ch4摩尔分数等)进行拟合，并将其作为扩散模型的入口边界可以确保避免超音速和振荡区域；
15、射流出口到马赫盘的距离计算公式：
16、
17、式中：xm为射流出口到马赫盘的距离，m；pa为外部环境压力，pa；de为泄漏孔直径，m；boltzmann模型的方程形式：
18、
19、式中：a1，a2，x0和dx为拟合参数；
20、步骤5，建立三维扩散区域几何模型；计算域以六面体单元的形式离散化，在扩散模型入口截面周围和地面附近进行网格细化；对扩散模型的网格进行无关性验证；
21、步骤6，扩散cfd模型的建立与求解；控制方程包括质量、动量和能量守恒方程，组分输运方程计算掺氢天然气各组分摩尔分数，状态方程采用peng-robinson方程，湍流模型选用k-ε模型；扩散模型入口边界条件根据射流模型在10xm截面处的射流条件确定，出口边界采用压力出口；扩散模型由基于压力的求解器求解，对流项采用二阶迎风格式离散；
22、步骤7，分析高压掺氢天然气扩散特性；计算掺氢天然气的爆炸下限，确定掺氢天然气管道泄漏的爆炸危险距离；
23、掺氢天然气的爆炸下限计算公式：
24、
25、式中：i和mix分别为气体组分i和混合气体；yi为总可燃气体中组分i的摩尔分数，％；lfli为组分i的爆炸下限，％；lflmix为混合气体的爆炸下限，％；n为可燃气体组分数。
26、本专利技术采用以上技术方案，可以达到以下有益效果：
27、(1)本专利技术提出的一种基于cfd的高压掺氢天然气管道泄漏特性模拟方法，考虑了近场欠膨胀射流对远场扩散的影响。
28、(2)本专利技术提出的基于cfd的高压掺氢天然气管道泄漏特性模拟方法，在保证了数值计算准确性本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于CFD的高压掺氢天然气管道泄漏特性模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，选取典型高压掺氢天然气管道泄漏过程为研究对象，将高压掺氢天然气管道泄漏过程划分为近场射流阶段和远场扩散阶段；确定高压掺氢天然气管道泄漏工况，主要包括管道运行压力、泄漏孔径以及掺氢比；计算泄漏孔射流条件；
【技术特征摘要】
1.一种基于cfd的高压掺氢天然气管道泄漏特性模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，选取典型高压掺氢天然气管道泄漏过程为研究对象，将高压掺氢...
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