燃气管道泄漏仿真模拟方法及装置与流程

1.本发明涉及燃气管道泄漏技术领域，特别地涉及一种燃气管道泄漏仿真模拟方法及装置。


背景技术：

2.燃气管道作为重要的城镇基础设施，已经遍布城镇的大街小巷。目前燃气管道的铺设方式主要为埋地型，管道长期与土壤接触，受到其中水分和化学物质的氧化腐蚀，以及泥石流和土壤沉降的因素的影响，造成管壁减薄破裂导致气体泄漏。
3.当燃气管道受到的外部载荷发生破坏时会导致燃气泄漏，由于城镇燃气管道一般位于人员密集的区域，燃气泄漏很容易引起火灾甚至爆炸，将造成严重的人员伤亡和财产损失，因此国内外有大量针对燃气泄漏及后果分析的研究。
4.现有的管道燃气泄漏分析方法有：(1)假设了天然气管道的泄漏几何区域，基于有限容积原理和多孔介质理论提出了天然气的泄漏控制方程，并且使用软件模拟了埋地天然气管道的泄漏过程；(2)分析了埋地天然气管道的泄漏规律以及泄漏气体在土壤中扩散的主要影响因素，研究了泄漏导致的爆炸和中毒事故的特点；(3)使用液体泄漏及扩散实验平台研究了气体的泄漏和扩散过程，得到了天然气管道泄漏时的变化规律，并且根据实验数据修正了理论计算公式。
5.上述的管道燃气泄漏分析方法主要侧重于燃气泄漏和扩散过程的模拟，缺乏结合实际工程的泄漏后果的应用分析，没有给出较全面的城市燃气管道第三方破坏引发泄漏流程模拟。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提出一种燃气管道泄漏仿真模拟方法及装置，针对燃气管道不同的泄漏位置、风向等条件下的泄漏浓度，模拟泄漏过程。
7.本发明第一方面提供一种燃气管道泄漏仿真模拟方法，该方法包括：对燃气管道进行评价单元网格划分，建立各评价单元内燃气管道三维模型，并对各评价单元内燃气管道三维模型设置观察点；构建燃气管道泄漏扩散状态模型；设置燃气管道的泄漏参数；基于所述燃气管道的泄漏参数及所述燃气管道泄漏扩散状态模型，计算各观察点的泄漏气体浓度，生成显示信息，以根据所述显示信息可视化各观察点的泄漏气体浓度变化。
8.进一步的，当燃气管道内介质的压力与环境压力的比值大于设置阈值时，所述燃气管道泄漏扩散状态模型为：
[0009][0010]
式中，p0为环境压力；p为燃气管道内介质的压力；k为气体的绝热指数；c
dg
为气体泄漏系数；m为气体摩尔质量；r为气体常数；t为气体温度；a为泄漏点面积；r为泄漏点半径。
[0011]
进一步的，当燃气管道内介质的压力与环境压力的比值小于等于设置阈值时，所
述燃气管道泄漏扩散状态模型为：
[0012][0013]
式中，p0为环境压力；p为燃气管道内介质的压力；k为气体的绝热指数；c
dg
为气体泄漏系数；m为气体摩尔质量；r为气体常数；t为气体温度；a为泄漏点面积；r为泄漏点半径。
[0014]
进一步的，所述对燃气管道进行评价单元网格划分，建立各评价单元内燃气管道三维模型，并对各评价单元内燃气管道三维模型设置观察点的步骤，包括：设置燃气管道上泄漏点位置；基于燃气管道上泄漏点位置，对燃气管道的各个不同区域进行不同的评价单元网格划分；构建各评价单元内燃气管道三维模型；根据燃气管道上泄漏点位置，在各评价单位内燃气管道三维模型的泄漏点上方设置多个不同观察点；在各评价单位内燃气管道三维模型的两个通风口中分别设置一观察点。。
[0015]
进一步的，所述燃气管道的泄漏参数包括泄漏时长、通风条件及风速中一个或多个。
[0016]
进一步的，所述计算所述燃气管道上各观察点的泄漏气体浓度，生成显示信息的步骤，包括：获取燃气管道的压力、泄漏点直径及气体温度；基于燃气管道泄漏扩散状态模型及燃气管道的压力、泄漏点直径、气体温度及泄漏参数，计算燃气管道泄漏气体的质量流量；根据各观察点的位置，计算各观察点体积；基于所述燃气管道泄漏气体的质量流量及各观察点体积，计算各观察点的泄漏气体浓度；根据各观察点的泄漏气体浓度，生成显示信息，以根据显示信息可视化各观察点的泄漏气体浓度随时间变化趋势。
[0017]
本发明第二方面提供一种燃气管道泄漏仿真模拟装置，该装置包括：管道三维模型建立模型，用于对燃气管道进行评价单元网格划分，建立各评价单元内燃气管道三维模型，并对各评价单元内燃气管道三维模型设置观察点；泄漏扩散状态模型构建模块，用于构建燃气管道泄漏扩散状态模型；燃气泄漏参数设置模块，用于设置燃气管道的泄漏参数；泄漏气体浓度模拟模块，用于基于所述燃气管道的泄漏参数及所述燃气管道泄漏扩散状态模型，计算各观察点的泄漏气体浓度，生成显示信息，以根据所述显示信息可视化各观察点的泄漏气体浓度变化。
[0018]
进一步的，所述燃气管道三维模型对燃气管道进行评价单元网格划分，建立各评价单元内燃气管道三维模型，并对各评价单元内燃气管道三维模型设置观察点的步骤，包括：设置燃气管道上泄漏点位置；基于燃气管道上泄漏点位置，对燃气管道的各个不同区域进行不同的评价单元网格划分；构建各评价单元内燃气管道三维模型；根据燃气管道上泄漏点位置，在各评价单位内燃气管道三维模型的泄漏点上方设置多个不同观察点；在各评价单位内燃气管道三维模型的两个通风口中分别设置一观察点。。
[0019]
进一步的，所述泄漏气体浓度模拟模块计算所述燃气管道上各观察点的泄漏气体浓度，生成显示信息的步骤，包括：获取燃气管道的压力、泄漏点直径及气体温度；基于燃气管道泄漏扩散状态模型及燃气管道的压力、泄漏点直径、气体温度及泄漏参数，计算燃气管道泄漏气体的质量流量；根据各观察点的位置，计算各观察点体积；基于所述燃气管道泄漏气体的质量流量及各观察点体积，计算各观察点的泄漏气体浓度。
[0020]
进一步的，所述泄漏气体浓度模拟模块还用于：根据各观察点的泄漏气体浓度，生成显示信息，以根据显示信息可视化各观察点的泄漏气体浓度随时间变化趋势。
[0021]
上述的燃气管道泄漏仿真模拟方法及装置，首先，建立实际尺寸的燃气管道三维模型并划分网格，选择合适的观察点进行模拟，分析燃气管道被破坏后泄漏扩散情况；模拟设定燃气管道参数条件下的燃气管道被第三方破坏后的泄漏过程，分析通风条件对天然气扩散的影响情况。
附图说明
[0022]
为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：
[0023]
图1是本技术一实施例提供的燃气管道泄漏仿真模拟方法的流程图；
[0024]
图2是地下燃气管道三维模型的剖面图；
[0025]
图3(a)是管道泄漏5s的气体浓度变化图；
[0026]
图3(b)是管道泄漏20s的气体浓度变化图；
[0027]
图3(c)是管道泄漏60s的气体浓度变化图；
[0028]
图3(d)是管道泄漏180s的气体浓度变化图；
[0029]
图3(e)是可爆炸气体浓度变化图；
[0030]
图4(a)和图4(b)是管道泄漏180s的泄漏气体浓度随通风时间变化图；
[0031]
图5是本技术另一实施例提供的燃气管道泄漏仿真模拟装置的结构图。
具体实施方式
[0032]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0033]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
[0035]
图1是本技术一实施例提供的燃气管道泄漏仿真模拟方法的流程图。该管道燃气泄漏仿真模拟方法针对燃气管道不同的泄漏位置、风向等条件下的泄漏浓度，模拟泄漏过程。
[0036]
请参阅附图1，该燃气管道泄漏仿真模拟方法包括：
[0037]
s100，对燃气管道进行评价单元网格划分，建立各评价单元内燃气管道三维模型，并对各评价单元内燃气管道三维模型设置观察点。
[0038]
具体地，步骤s100的具体实现方式如下：
[0039]
s101，设置燃气管道上泄漏点位置，基于燃气管道上泄漏点位置对燃气管道的各个不同区域进行不同的评价单元网格划分。
[0040]
网格是构成运算的基本单元，会影响模拟结果的准确程度和运算时间，因此在燃气管道三维模型建立后，对燃气管道三维模型中各个区域进行不同的网格划分，并反复调
整。网格的设定既要符合数值模型的要求，也要确保三维模型的科学性。在三维建模和划分网格时要相互协调，保证运算过程的顺利进行。
[0041]
本实施例仅考虑不同通风情景对气体泄漏的影响，将燃气管道泄漏点位置不作为变量，本实施例将泄漏点位置设置为(1.2，22.3，1.5)，将泄漏点附近区域设为核心区域，核心区域范围为min(1,22,1.3)，max(1.5,22.5,1.8)，将该区域内的网格细分为0.05m，在距泄漏点较远处将网格沿着min(0,4,0)，max(3.5,57,10)方向拉伸。
[0042]
s102，利用flacs构建各评价单元内燃气管道三维模型。
[0043]
以地下燃气管道为例，建立的地下燃气管道三维模型的剖面图如图2所述，综合管廊主体为2.5
×
2.2
×
60m3的矩形狭长舱室，每间隔50m设有人员进出口及通风口，管廊内部设有dn500mm的天然气管道，每隔10m有一个支撑柱。
[0044]
s103，根据燃气管道上泄漏点位置，在各评价单元内燃气管道三维模型的泄漏点上方设置多个不同观察点，并在各评价单元内燃气管道三维模型的两个通风口中分别设置一观察点。
[0045]
根据燃气管道泄漏点位置(1.2，22.3，1.5)，在泄漏点上方设置了1个观察点p1，沿管道y方向5、10、20、25、40、50、55m处设置观察点p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7和p8，观察气体在管道内的扩散情况。分别在两个通风口中设置一个观察点p9，观察气体是否会扩散至通风口。
[0046]
s200，构建燃气管道泄漏扩散状态模型。
[0047]
基于燃气管道中天然气气体质量流量与质量流动状态的关系构建燃气管道泄漏扩散状态模型，其中，燃气管道泄漏扩散状态模型的表达式如下：
[0048]
当燃气管道内介质的压力与环境压力的比值时，气体被定义为亚音速流动，泄漏的质量流量计算公式为：
[0049][0050]
a＝πr2ꢀꢀ
(9)
[0051]
式中，p0为环境压力，pa；p为燃气管道内介质的压力，pa；k为气体的绝热指数，对于多原子气体天然气，取k＝1.3；c
dg
为气体泄漏系数，与泄漏点形状有关，本实施例取1.0；m为气体摩尔质量，取0.016kg/mol；r为气体常数，取8.3144j/(mol.k)；t为气体温度，取293k；a为泄漏点面积，m2；r为泄漏点半径，m。
[0052]
当时，气体被定义为音速流动，泄漏的质量流量计算公式为：
[0053][0054]
s300，设置燃气管道的泄漏参数。
[0055]
其中，燃气管道的泄漏参数包括泄漏时长、通风条件及风速等。
[0056]
结合实际工况，根据城市综合管廊工程技术规范中通风系统的要求，设置5种场景进行模拟，5种场景下的泄漏参数见表1。
[0057]
表1泄漏场景参数
[0058]
场景泄漏时长/s通风风速1180无无2180有1m/s3180有3m/s4180泄漏120s后开启1m/s5180泄漏120s后开启3m/s
[0059]
s400，基于燃气管道的泄漏参数，计算燃气管道上各观察点的泄漏气体浓度，生成显示信息，以根据显示信息可视化各观察点的泄漏气体浓度变化。
[0060]
具体地，步骤s400的具体实现方式如下：
[0061]
s401，获取燃气管道压力、泄漏点直径、泄漏点位置及气体温度，基于燃气管道泄漏扩散状态模型及燃气管道的压力、泄漏点直径及泄漏参数，计算燃气管道泄漏气体的质量流量。
[0062]
以地下燃气管道为例，燃气管道压力为p＝0.25mpa，泄漏点位置定为(1.2，22.3，1.5)，泄漏点直径为20mm，计算泄漏孔的面积是0.000314m2。
[0063]
基于燃气管道泄漏扩散状态模型，利用燃气管道的压力、泄漏点面积、泄漏时间180s及温度20℃，计算燃气管道泄漏气体的质量流量0.1897kg/s。
[0064]
s402，根据燃气管道上各观察点的位置，计算各观察点体积v。
[0065]
s403，基于燃气管道泄漏气体的质量流量及各观察点体积，计算燃气管道各观察点的泄漏气体浓度。
[0066]
以观察点pi为例，观察点pi的泄漏气体浓度ci等于燃气管道泄漏气体的质量流量除以观察点pi的体积。
[0067]
s404，根据燃气管道各观察点的泄漏气体浓度，生成显示信息，以根据显示信息可视化各观察点的泄漏气体浓度随时间变化趋势。
[0068]
在本实施例中，显示信息可为曲线图，根据燃气管道各观察点的泄漏气体浓度，生成各观察点的泄漏气体浓度随时间变化曲线图。
[0069]
以地下燃气管道，泄漏场景1(泄漏时长/s、无通风、无风速)为例，管道泄漏180s的气体浓度变化如图3(a)-图3(e)所示。泄漏开始时，由于管道压力作用使天然气从泄漏点喷出，喷射气体触碰到管廊顶板，发生“顶棚射流”现象，然后向两边扩散。中部位气体呈对称分布(图3(a))，随后，气体迅速向四周扩散与空气混合，并不断与壁面发生碰撞，使得气体流动方向发生改变，开始向管廊底部扩散。受管道阻碍，管道处聚集了部分浓度的泄漏气体。当气体运动到管廊底面到达管廊底部壁面后，气体流动的动能受到损失，速度减小，同时由于天然气密度低，又重新沿着两侧壁面流动到管廊上部，因此管廊上下部天然气浓度大于中下部天然气浓度，如图图3(b)所示。泄漏发生60s时，有少部分气体沿着通风口的缝隙扩散至人员进出口，使泄漏点左侧更容易扩散。随着泄漏时间的延长，到180s时管廊内充满了泄漏气体，人员进出口中泄漏气体的浓度也有所提高，此时管廊内部分泄漏气体浓度达到15％以上。已知天然气爆炸极限为5～15％，图3(e)为天然气浓度在5％至15％浓度范围内的气体云团分布，可以发现管廊内和人员进出口内都存在可爆炸气体，若遇火源将发生爆炸事故。此时管廊内的泄漏气体体积为20
×
2.5
×
2.2m3，人员进出口内泄漏气体体积
为2
×
2.5
×
6.5。图4(a)和图4(b)为观察点泄漏气体浓度随时间的变化曲线，可以看出，泄漏180s后，p1、p2、p3、p4和p6观测泄漏点气体浓度在0.05～0.19之间，泄漏气体浓度在爆炸极限之内，人员进出口p9泄漏气体浓度达到0.08，高于爆炸下限。
[0070]
上述的燃气管道泄漏仿真模拟方法，利用flacs建立实际尺寸的燃气管道三维模型并划分网格，选择合适的观察点进行模拟，分析埋地管道被破坏后泄漏扩散情况；模拟设定燃气管道参数条件下的燃气管道被第三方破坏后的泄漏过程，分析通风条件对天然气扩散的影响情况。
[0071]
图5是本技术另一实施例提供的燃气管道泄漏仿真模拟装置的流程图。该管道燃气泄漏仿真模拟装置针对燃气管道不同的泄漏位置、风向等条件下的泄漏浓度，模拟泄漏过程。
[0072]
请参阅附图5，该燃气管道泄漏仿真模拟装置500包括：
[0073]
燃气管道三维模型建立模型501，用于对燃气管道进行评价单元网格划分，建立各评价单元内燃气管道三维模型，并对各评价单元内燃气管道三维模型设置观察点。
[0074]
具体地，燃气管道三维模型建立模型501对燃气管道进行评价单元网格划分，建立各评价单元内燃气管道三维模型，并对各评价单元内燃气管道三维模型设置观察点的具体实现方式如下：
[0075]
燃气管道三维模型建立模型501设置燃气管道泄漏点位置，基于燃气管道泄漏点位置对燃气管道的各个不同区域进行不同的评价单元网格划分。
[0076]
网格是构成运算的基本单元，会影响模拟结果的准确程度和运算时间，因此在燃气管道三维模型建立后，对燃气管道三维模型中各个区域进行不同的网格划分，并反复调整。网格的设定既要符合数值模型的要求，也要确保三维模型的科学性。在三维建模和划分网格时要相互协调，保证运算过程的顺利进行。
[0077]
本实施例仅考虑不同通风情景对气体泄漏的影响，将燃气管道泄漏点位置不作为变量，本实施例将泄漏点位置设置为(1.2，22.3，1.5)，将泄漏点附近区域设为核心区域，核心区域范围为min(1,22,1.3)，max(1.5,22.5,1.8)，将该区域内的网格细分为0.05m，在距泄漏点较远处将网格沿着min(0,4,0)，max(3.5,57,10)方向拉伸。
[0078]
燃气管道三维模型建立模型501利用flacs构建各评价单元内燃气管道三维模型。
[0079]
以地下燃气管道为例，建立的地下燃气管道三维模型的剖面图如图2所述，综合管廊主体为2.5
×
2.2
×
60m3的矩形狭长舱室，每间隔50m设有人员进出口及通风口，管廊内部设有dn500mm的天然气管道，每隔10m有一个支撑柱。
[0080]
燃气管道三维模型建立模型501根据燃气管道泄漏点位置，在泄漏点上方设置多个不同观察点。
[0081]
以燃气管道泄漏点位置(1.2，22.3，1.5)为例，在泄漏点上方设置了1个观察点p1，沿管道y方向5、10、20、25、40、50、55m处设置观察点p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7和p8，观察气体在管道内的扩散情况。分别在两个通风口中设置一个观察点p9，观察气体是否会扩散至通风口。
[0082]
泄漏扩散状态模型构建模块502，用于构建燃气管道泄漏扩散状态模型。
[0083]
泄漏扩散状态模型构建模块502基于燃气管道中天然气气体质量流量与质量流动状态的关系构建燃气管道泄漏扩散状态模型，其中，燃气管道泄漏扩散状态模型的表达式
如下：
[0084]
当时，气体被定义为亚音速流动，泄漏的质量流量计算公式为：
[0085][0086]
式中，p0为环境压力，pa；p为燃气管道内介质的压力，pa；k为气体的绝热指数，对于多原子气体天然气，取k＝1.3；c
dg
为气体泄漏系数，与泄漏点形状有关，本实施例取1.0；m为气体摩尔质量，取0.016kg/mol；r为气体常数，取8.3144j/(mol.k)；t为气体温度，取293k；a为泄漏点面积，m2；r为泄漏点半径，m。
[0087]
当时，气体被定义为音速流动，泄漏的质量流量计算公式为：
[0088][0089]
泄漏参数设置模块503，用于设置燃气管道的泄漏参数。
[0090]
其中，燃气管道的泄漏参数包括泄漏时长、通风条件及风速等。
[0091]
泄漏气体浓度模拟模块504，用于基于燃气管道的泄漏参数，计算燃气管道上各观察点的泄漏气体浓度，生成显示信息，以根据显示信息可视化各观察点的泄漏气体浓度变化。
[0092]
具体地，泄漏气体浓度模拟模块504基于燃气管道的泄漏参数，计算燃气管道上各观察点的泄漏气体浓度，生成显示信息，以根据显示信息可视化各观察点的泄漏气体浓度变化的具体实现方式如下：
[0093]
泄漏气体浓度模拟模块504获取燃气管道压力、泄漏点直径及泄漏点位置，基于燃气管道泄漏扩散状态模型及燃气管道的压力、泄漏点直径及泄漏参数，计算燃气管道泄漏气体的质量流量。
[0094]
以地下燃气管道为例，燃气管道压力为p＝0.25mpa，泄漏点位置定为(1.2，22.3，1.5)，泄漏点直径为20mm，计算泄漏孔的面积是0.000314m2。
[0095]
基于燃气管道泄漏扩散状态模型，利用燃气管道的压力、泄漏点面积、泄漏时间180s及温度20℃，计算燃气管道泄漏气体的质量流量0.1897kg/s。
[0096]
泄漏气体浓度模拟模块504根据燃气管道上各观察点的位置，计算各观察点体积v。
[0097]
泄漏气体浓度模拟模块504根据燃气管道泄漏气体的质量流量及各观察点体积，计算燃气管道各观察点的泄漏气体浓度。
[0098]
以观察点pi为例，观察点pi的泄漏气体浓度ci等于燃气管道泄漏气体的质量流量除以观察点pi的体积。
[0099]
泄漏气体浓度模拟模块504根据燃气管道各观察点的泄漏气体浓度，生成显示信息，以根据显示信息可视化各观察点的泄漏气体浓度随时间变化趋势。
[0100]
上述的燃气管道泄漏仿真模拟装置，通过利用flacs建立实际尺寸的燃气管道三维模型并划分网格，选择合适的观察点进行模拟，分析埋地管道被破坏后泄漏扩散情况；模
拟设定燃气管道参数条件下的燃气管道被第三方破坏后的泄漏过程，分析通风条件对天然气扩散的影响情况。
[0101]
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。