燃气管道泄漏对内部流场影响的数值模拟方法与流程

技术领域：

本发明涉及燃气管道泄漏对内部流场影响的数值模拟方法，属于燃气技术领域。

背景技术：
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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。

技术实现要素：
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针对上述问题，本发明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。

本发明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。

作为优选，所述湍流模型为标准k-ε湍流模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：对燃气管道泄漏前后，管道内部流场的变化进行分析；对燃气管道泄漏问题进行管道的几何建模过程，进行网格划分，最后用fluent求解完后用tecplot进行后处理，接着用得出的图片对燃气管道内部流场进行分析，并对泄漏的影响因素做详尽的分析；分析全面，且能进行后期维修。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明中直管模型图；

图2为本发明中直管二维模型图；

图3为本发明中直管网格划分图；

图4为本发明中t行管模型图；

图5为本发明中复杂管道泄漏前模型图

图6为本发明中复杂管道泄漏前二维模型图

图7为本发明中复杂管道泄漏前网格划分图；

图8为本发明中复杂管道泄漏后模型图；

图9为本发明中复杂管道泄漏后二维模型图；

图10为本发明中复杂管道泄漏后网格划分图；

图11为本发明中直管泄漏后模拟图；

图12为本发明中t行管泄漏模拟图。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1至图12所示，本具体实施方式采用以下技术方案：

一、流体力学基本理论及模拟软件：

1.1、流体力学基本理论：

在流体力学问题研究中，有三个最基本的守恒定律，包括质量守恒、动量守恒、能量守恒。本发明应用几个基本流体力学方程，以及流体流动应用湍流状态，同时运用湍流运输方程进行计算。

燃气管道内部均为可燃气体，由于燃气的可压缩性，所以管道内燃气的流动是不稳定流。当给定入口压力后，随着燃气在燃气管道内流动时压力的下降，燃气在管道内部的密度也在慢慢减小，其速度也逐渐减小，只有在低压管道中燃气密度的变化可忽略不计。因此，影响然气管道泄漏流动的参数有4个分别为压力p、密度ρ、流速u、温度t，它们同时是坐标(z.y.x)和时间t的函数，为求得这些量，则涉及到了以下介绍的几个基本流体力学方程。

1.1.1、连续性方程：

由于任何流动问题都必须满足质量守恒运动定律，所以该定律可表述为，单位时间内流体微元中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。按这一定律可以得出质量守恒方程，常称作连续性方程。

连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的具体表述形式，任何流动问题都必须满足质量守恒定律，即它通过一系列的方式体现了增加的流体质量和减少的流体质量是一样的：

式中ρ––––气体的密度，kg/m³；

t––––时间，s；

ui––––(x,y,z)三个方向上的速度(u,v,w)，m/s。

特殊流动的连续性方程表达如下。

不可压缩气体流动：

定常气体流动：

1.2.1、动量方程：

研究任何形式的运动都要用到动量方程(纳维-斯托克斯方程)，又被称为n-s方程。由于燃气的流动是符合牛顿第二定律的，符合运动方程，所以动量方程可被表述为：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。该方程以牛顿第二定律为基础推导在i方向上的动量守恒方程。

其中μ——流体的动力粘度，pa·s；

p——绝对压力，pa；

g——重力加速度，m/s²。

对于天然气管道则可以写成：

其中d––––管道内径，m；

p––––燃气管内流动气体的压力，pa；

f––––质量力，n；

g––––重力加速度，m²/s；

θ––––管道与水平间的倾角，rad；

λ––––沿程阻力系数。

1.1.3能量方程：

由于燃气在管道内流动定然伴随能量的流动，所以涉及到能量方程。能量方程定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。能量方程定律可以表述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流动量加上体力与面力对微元体所做的功，则根据热力学第一定律，即能量守恒定律，可以得到燃气流动的能量方程：

其中h––––单位质量气体放出的热量，j/kg；

e––––气体内能，j/kg；

z––––管道位置高度，m；

h––––气体的焓，j/kg。

1.1.4、理想气体状态方程：

当所研究气体为理想气体时，即忽略了气体分子的自身体积，将它们看成是质点；不计分子势能，分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞是完全弹性的，不造成动能损失，气体状态方程为：

p＝ρrt(1-7)

而实际上燃气在标准的环境条件下时，气体状态方程为：

p＝zρrt(1-8)

其中z--可压缩因子，

p--绝对压力，pa；

v--气体比容，m³·kg^-1；

r--通用气体常数，j·kg^-3·k^-1；

t--热力学温度，k。

当气体压力符合p·pc^-1<<2或者t·tc^-1>2与此同时p·pc^-1＜l时，即可认定为理想气体。燃气(甲烷)气体的临界压力pc为4.59mpa，临界湿度tc是-82.6℃，而本实验中模拟的燃气管道为城市内部的燃气(甲烷)输送管道，其输送压力一般在0.2-0.4mpa之间，远远小于临界压力，因此可位视为理想气体。

(1)理想不可圧缩气体密度方程：

在不可压缩气体中，气体的密度只取决于操作压力，而在fluent设置中，操作压力一般情况下会设为标准大气压，从而在不可压缩模型中，气体的密度为标准大气压下的密度值。

(2)、理想可圧缩气体密度方程：

流动的气体是否具有可压缩性可用马赫数m来衡量，如公式所示：

m≡u/c(1-10)

其中u--气体流速，m/s^-1；

c--音速m/s^-1。

当马赫数远远小于1(m＜0.1)时，气体的可压缩性可被忽略，同时气体的密度也可视为不随压力改变，但是当m接近1时，就需要考虑可压缩性对气体密度造成的影响。

对于可压缩性气体，其密度求解方式如公式所示：

其中：p——每一个微元的表压，pa。

可见在可压缩气体密度计算的方法中加入了每一个微元上的表压对密度的影响，从而使密度随着微元上表压的不同而不同。

1.2、湍流方程：

对于湍流方程，本文选用标准k-ε双方程模型进行求解，这样的双方程模型有助于求解在传输过程中具有端流流体距离变化和端流时间累计的问题，适用于管道中流动的气体口。标准k-ε方程由实验现象及经验公式相互借鉴推导而形成，是一个半经验方程，因其的计算精准、适用的湍流范围广而广泛应用于流体流动领域。

时间平均模型中的标准k-ε双方称模型比其他的双方程模型更节约资源且最大限度的保证了计算的精度，因此是本次仿真计算中针对简单湍流运动的首选模型。在k-ε模型中，k是湍能，ε是湍能的耗散率，两者分别反映出特征速度与特征长度尺度，主要通过求解两个附加方程来确定湍流黏性系数，并利用boussinesq假定简化，求接触湍流应力：

k方程：

ε方程：

其中cε＝0.09，cε1＝1.44，cε2＝1.92，cd＝0.8，湍能k和湍能耗散率ε的湍流普朗特数为：σk＝1.0，σε＝1.3，且υt＝cμk²/ε。

k--湍动能，j；

ε--湍流耗散率。

1.3、计算流体力学：

计算流体力学，即是cfd(computationalfluiddynamics)是近代流体力学和计算机科学结合的产物，而针对流体力学中又有3中最为常见的研究方法，分别是计算流体力学，理论流体力学和实验流体力学，它们是研究流体力学的主要依据和理论指导。其中理论分析可以为实验研究提供所需要的依据和数据，而实验则可以为数值研究提供所需要的数据和计算结果，数值模拟则是定量探究实验的一种，这些特性决定了计算流体力学在研究工作中的优势。

cfd一电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的问题进行数值实验，计算机模拟和研究分析，以解决各种实际问题。

cfd的基本原理是应用数值方法求解非线性微分方程组，而此方程组通过联立质量，动量，能量和自定义标量方程得到，从而展现流场形态，实现过程装置的改进和放大。

1.4、建立模拟软件：

fluent是现今处于世界领先地位，比较通用的cfd软件包之一，也是当今流体建模中最常用的软件之一。

当建模完成后，要进行网格划分。fluent的网格划分具有很多优势，它可以够提供灵活的网格特性，可以支持多种网格，使得使用者可以自由选择使用非结构化和结构化网格来划分十分复杂的几何问题，会可以利用fluent提供的网格自适应特性在求解过程中根据所获得的计算结果来优化网格。

fluent软件对于初学者来说很容易上手，可以让用户定义多种边界条件，如流动入口及出口边界条件，壁面边界条件等，可以采用多种局部的笛卡尔和圆柱坐标系的分量输入，所有边界条件都可以随着空间和时间变化，包括轴对称和周期性变化等。其可用来能源、航天等众多领域的有关工业。其拥有多种数学物理模型、分析方法及离散模式，从而满足在研究领域内的计算精度、可靠性和稳定性等要求。fluent的应用范围十分广泛，适用于流体流动、化学反应等众多领域，例如模拟求解可压缩与不可压缩流体的流动；或者稳态及瞬态流动等多种问题。

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能够有效的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、结果可视化等。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。

表1-1cfd软件模拟

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，这几乎对模拟结果有决定性的作用，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。这两种求解器有相同的求解对象，它们所用的求解的控制方程就是步骤一中的方程，它们均为描述质量守恒、动量守恒和能量守恒的连续性方程、动量方程、能量方程和湍流方程。虽然两种求解器对大多数流动求解都适用，但是对于某些特定的流动情况，选择两种求解器中的一种可能是求解结果更为精确；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(transient)，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(不考虑浮力影响)。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，就要选择计算模型，要考虑的问题有：计算模型是否考虑传热(本发明不考虑传热)，流体流动状态是层流还是湍流(采用湍流)，是否是多相流(否)，是否有相变(否)，是否存在化学组分变化以及化学反应(本文不考虑泄漏发生化学变化)，是否考虑辐射(否)等等。由于本发明采用湍流模型，所以选择应用最为广泛的标准k-ε湍流模型，可以采用标准壁面函数，其余指数可为默认指数，然后在models中开启能量方程(energy)，k-ε方程和组分输运方程(speciestransport)，选择组分传输模型(speciestransport)，并定义组分为甲烷和空气(methane-air)。由于fluent自身附带有材料数据库，所以可以直接选用。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：

初始条件是流动问题在初始时刻流场上每点的流动状态。即是在起始时刻，燃气管道内部模型中流场内每一个点的状态。本发明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。

因天然气管道内部存在压力，而外界为正常大气压，两者之间存在压力差，所以上边界和右边界均选用压力出口边界条件，且压力值为标准大气压。

边界条件分为多种，根据问题不同而改变。而流场中的流体在任意时刻的流动状态都要满足设定的边界条件。

管壁选用壁面边界条件wall。若不指定设置，fluent自动默认除入口和出口的所有界面为wall，本发明采用默认值，各个边界条件的具体设置见下表2-1所示。

表2-1边界条件设置

2.1.5、fluent求解参数设置：

本发明采用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。取管径d＝25mm(不考虑管壁厚度)，泄漏孔为理想圆形，孔口直径d＝10mm，泄漏处管道中心压力为0.4mpa，环境及燃气温度取300k。采用小孔泄漏模型计算，并采用瞬态模拟方式确定。以上设置完成以后就可以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，本发明中涉及直管，t行管和复杂管的模拟一共进行了500步收敛。

2.2、直管和t管模型建立和图片输出：

采用两种建模模型，一为概念建模(conceptualmodeling，cm)，它主要用来描述一个单位的概念化结构。采用概念数据模型，数据库设计人员可以在设计的开始阶段，把主要精力用于了解和描述现实世界上，而把涉及dbms的一些技术性的问题推迟到设计阶段去考虑。本发明采用的cm概念建模功能，是二维草图和三维几何建模的有效补充和完善；是二维草图和三维几何建模的有效补充和完善；二为参数化建模(parametricmodeling，pm)，参数化建模是参数(变量)而不是数字建立和分析的模型，通过简单的改变模型中的参数值就能建立和分析新的模型。参数化建模的参数不仅可以是几何参数，也可以是温度、材料等属性参数。在参数化的几何造型系统中，设计参数的作用范围是几何模型。利用参数修改和函数关系设定来实现模型尺寸的调整，节省了大量的建模工作时间。本发明即用这两种方法，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。现已发展出多种对各区域进行离散以生成网格的方法，统称为网格生成技术。不同的问题采用不同数值解法时，所需要的网格形式是有一定区别的，但生成网格的方法基本是一致的。目前，网格分结构网格和非结构网格两大类。简单地讲，结构网格在空间上比较规范，如对一个四边形区域，网格往往是成行成列分布的，行线和列线比较明显。而对非结构网格在空间分布上没有明显的行线和列线。

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，以便为接下来复杂管的模型建立打好基础；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。

直管管道是燃气管道中最常见的一种情况，因此先建立直管管道模型。选取直管管长1000mm，直径25mm的燃气(主要成分为甲烷)管道作为研究对象，直管内径忽略，以1m/s的速度流入，建立直管未泄漏之前的模型，具体直管模拟如下图1所示；

直管模型由ansys自带的dm模块建立，利用gambit软件按照图1所示尺寸绘制直管二维模型图，具体直管二维模型图如下图2所示；

然后在workbench的试图中，进行网格划分，结果直管网格划分如图3所示；

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。

泄漏后的管道模拟具体方法和操作与泄漏前相同，故在此不在建立泄漏后模型，在下一步骤可直接画图分析数据。

2.2.2、t管管道内部模型建立及图片输出：

t行管主要研究燃气管道连接处的情况，在研究中，选取t形管长管管长1000mm，短管管长500mm，直径25mm的燃气(主要成分为甲烷)管道作为研究对象，t行管内径忽略，以1m/s的速度流入，具体t行管模型如图4所示；

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。

由速度图可以看出，在t行管t字型连接处，速度有明显变化，且速度比平稳流动是速度明显增大。

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：

复杂管为实际燃气管道的简化，有了直管，t行管的基础，可以建立复杂管道的模型。选取天然气管道作为复杂管研究对象，天然气真实管道如上图所示，而选取复杂管管道形状如图所示(尺寸标注如下)，直径25mm的燃气(主要成分为甲烷)管道作为研究对象，t行管内径忽略，以1m/s的速度流入，具体复杂管道泄漏前模型如图5所示；

复杂管模型由ansys自带的dm模块建立，利用gambit软件按照图5所示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如图6所示；

在workbench的试图中，进行网格划分，对于平面以及轴对称的流动问题，只需要生成面网格。对于三维问题，也可先划分面网格，再拓展到体,由于本发明建立的是二维燃气管道模拟，所以只涉及面网格。具体复杂管道泄漏前网格划分如图7所示；

3.3.2、复杂管道泄漏后内部模拟：

具体复杂管道泄漏后二维模型图如图8所示；具体复杂管道泄漏后二维模型图如图9所示；在workbench的试图中，进行网格划分，结果如图10所示。

三、燃气管道泄漏数值结果分析：

3.1、cfd数值模拟结果分析：

由于燃气管道开始泄漏瞬间，燃气流动是非稳定的，所以用非稳态对燃气泄漏进行模拟分析，以观察天然气管道内部泄漏随时间的变化规律。本发明分析以管道压力p＝0.4mpa，管径d＝25mm，泄漏孔径d＝10mm为例详细分析流动稳定状态下的甲烷浓度分布规律。从直管，t行管和复杂管的模拟图可以看到，燃气泄漏后，在管内泄漏口附近甲烷浓度非常大，但随着时间的增加，由于燃气与空气存在密度差，泄漏的速度慢慢稳定，速度和浓度衰减很快，最终慢慢趋于稳定。本发明主要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(管道压力和管道直径两方面)的影响，并得出结果。

3.2数值模拟结果分析：

下面以管道压力p＝0.4mpa，管径d＝25mm，泄漏孔径d＝10mm为模型详细分析燃气管道泄漏后，管道内部压力和速度的变化。

现将模拟结果导入tecplot进行后处理便可以得到不同时刻甲烷的摩尔分数等值线分布，同温同压下，相同摩尔的气体占的体积也一样，所以甲烷的摩尔分数等于甲烷质量分数。

(1)直管道泄漏后内部模拟结果：

选取直管管长1000mm，直径25mm，泄漏孔径为10mm的燃气(主要成分为甲烷)管道作为研究对象，直管内径忽略，以1m/s的速度流入，具体直管泄漏后模拟如图11所示：

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：

如图12所示，选取t形管长管管长1000mm，短管管长500mm，直径25mm，泄漏孔径为10mm的燃气(主要成分为甲烷)管道作为研究对象，t行管内径忽略，以1m/s的速度流入，具体t行管泄漏模拟如图12所示；

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。

应用ansys14.0做出按比例缩小残差图，共进行576步；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，由上图直管，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：

影响天然气泄漏的因素很多，具体描述见如下表3-1所示(具体主要从管道压力、泄漏口大小两个方面来进行研究，管内气体假定为甲烷，实际fluent模拟选项选为甲烷—空气)；

表3-1天然气管道泄漏的影响因素

3.3.1管道压力变化对泄漏的影响：

燃气管道由于所处的环境不同，输送天然气的距离不同及铺设方式的不同，使得其管道的设计压力不尽相同。长距离输送管道压力较高，但一般不会超过3.6mpa，而城市内部的天然气输送由于考虑到建筑物密集，人员活动复杂等原因，输送压力一般在化0.2—0.4mpa之间，而进入居民楼等民用天然气的输送则低压的方式进行。由此可知，管道压力是天然气管道输送的重要指标之一，因此研究天然气泄漏扩散与管道压力之间的关系对管网的安全施工和快速排査尤为重要。本模拟主要针对城市中的燃气管道泄漏状况，因此主要研究管道压力在0.5mpa左右的范围内燃气管道泄漏情况。模拟直径为25mm的天然气管道破裂时(即d＝25mm)，在压力不同时的泄漏情况下的压力，速度云图(本发明选择了管道入口压力为2kpa、0.3mpa、0.4mpa，3种不同入口压力燃气管道进行模拟(正对模拟的复杂管进行研究)，同时对其他参数统一设定：燃气管道直径25mm，泄漏孔直径10mm)。

管道入口压力为2kpa时：一开始入口的浓度最大，随着时间的增加，管内浓度慢慢增大，到450步(125s)时，管内浓度达到最大。在管道连接处温度变低，其余部分管内温度十分平均。

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。因此，要对压力等级较大的管道进行严格的管理，要在平时加强对于管道的维修工作。

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。因此当管道具有较大泄漏孔时，其泄漏状态较为危险。

所以可得出结论，在实际工程中，加强对燃气管道的管理和保护，以尽量减小泄漏孔径是相对来说比较直观的预防管道事故发生的较有效措施。

总体来说，通过对燃气管道内部流场前后泄露的数值模拟，根据模拟结果图，对影响天然气管道泄漏的各种因素进行分析，从而得出结论，以便预防管道泄露事故，并为事故发生后的调查提供理论依据。

本具体实施方式具有如下特点：

(1)根据cfd计算流体力学知识，用fluent对燃气管道泄漏进行模拟，将直管，t行管和复杂管的泄漏浓度用图片表现出来，为以后的研究提供理论依据。

(2)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。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；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。燃气随着泄漏的进行，泄漏孔周围高浓度区域所占比例也増大。

(3)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。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。