[发明专利]燃气管道泄漏对内部流场影响的数值模拟方法

摘要

本发明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。

主权项

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；要想在空间域上离散控制方程，必须使用网格；2.2.1、直管管道内部模型建立及图片输出：先建立直管未泄露前的模型图，因为泄露后模型与泄露前模型，除了多加一个泄露点参数，其余基本参数相同，对于直管，T管这些简单情况下的管只建立其泄露前模型，在复杂管中，要具体建立其泄露前泄露后的模型，以便为下一步骤的数据分析输出图片；直管管道先建立直管管道模型；直管模型由ANSYS自带的DM模块建立，利用Gambit软件按建立直管管道模型尺寸绘制直管二维模型图；然后在workbench的试图中，进行网格划分；在fluent中求解设置，计算完之后，做出泄漏前的压力云图，速度云图；由压力图可以看出，直管入口压力最大，管内压力随着流动逐渐变小，到出口时达到最小；通过与实验结果对比以及Gambit本身对网格质量的要求，划分网格；网格划分完成以后，指定边界条件类型和计算区域类型，具体边界条件设置在Fluent中进行，做完以上工作就可以将Mesh文件输出保存；2.2.2、T管管道内部模型建立及图片输出：在Fluent中求解设置，计算完之后，做出泄漏前的压力云图，速度云图，由压力图可以看出，在T行管T字型连接处，压力有明显变化，且压力比平稳流动处压力明显增大；2.3泄漏前后复杂管道模型的建立及图片输出：2.3.1、复杂管道内部泄漏前模型建立：复杂管模型由ANSYS自带的DM模块建立，利用Gambit软件尺寸绘制直管二维模型图，具体复杂管道泄漏前二维模型图；在workbench的试图中，进行网格划分；3.3.2、复杂管道泄漏后内部模拟：建立具体复杂管道泄漏后二维模型；然后建立具体复杂管道泄漏后二维模型图；在workbench的试图中，进行网格划分；步骤三、燃气管道泄漏数值结果分析：3.1、CFD数值模拟结果分析：在第二步骤的基础上，根据fluent软件模拟计算得出的数据，分析其泄露因素的影响，并得出结果；3.2、数值模拟结果分析：(1)、直管道泄漏后内部模拟结果：应用ANSYS14.0做出按比例缩小残差图；后期处理做出直管管道内甲烷浓度随时间变化图；由直管泄漏图可以清晰的看到，甲烷浓度随着时间的变化，在泄漏点发生明显变化，在第125秒时泄漏点逐渐稳定；(2)、T管道泄漏后内部模拟结果：T行管模型由ANSYS自带的DM模块建立，在workbench的试图中，进行网格划分，应用ANSYS14.0做出按比例缩小残差图；后期处理做出T行管管道内甲烷浓度随时间变化图；由T行管泄漏图得，甲烷浓度随着时间的变化，在泄漏点发生明显变化，在第125秒时泄漏点逐渐稳定；(3)、复杂管道泄漏后内部模拟结果：由于已经建立模型图，所以直接在第二步骤基础上分析；在fluent中求解设置，计算完之后，做出泄漏前的压力云图，速度云图；综合分析，T行管泄漏前和复杂管的泄露后的管道内部流场分析得出基本结论：在泄露前，管道内部压力矢量，速度矢量在入口时最大，随着燃气的流动逐渐变小，到出口时达到最小；当发生泄露后，其内部压力矢量，速度矢量发生较大变化，当其在泄漏点时，压力和速度都会发生明显变化，随着时间的推移，在泄漏点的甲烷浓度变化逐渐稳定；3.3、管道泄漏影响因素：3.3.1管道压力变化对泄漏的影响：在实际工程中，管道压力越大，越容易发生泄漏事故，而此时管道内温度和速度等量也随之增大；3.3.2、泄漏孔径变化对泄漏的影响：当管道压力一定，泄漏孔孔径较小时，单位时间内从泄漏孔处泄漏到土壤环境中的燃气气质量流量减小，从而在相同时间内在土壤中的扩散范围较小，泄漏的危险区域也较小；而反之，泄漏孔径越大，泄漏孔周围高浓度区域所占比例也増大。