天然气管道泄漏扩散规律CFD研究现状分析

2012-04-13何利民

石油地质与工程 2012年6期

关键词：油气流动天然气

毕静，张默，何利民

（1.中国石油大学（华东），山东青岛 266555；2.中国石油煤层气有限责任公司韩城分公司）

天然气管道泄漏扩散规律CFD研究现状分析

毕静1，张默2，何利民1

（1.中国石油大学（华东），山东青岛 266555；2.中国石油煤层气有限责任公司韩城分公司）

研究天然气管道泄漏扩散规律可以为天然气管道泄漏事故的预防和补救提供有效的解决办法。在泄漏扩散规律的研究中，借助于计算机的CFD（Computional Fluid Dynamics）仿真技术不需要花费太大人力物力，且操作实施灵活方便，但由于CFD软件种类繁多，选取高效、准确的仿真软件显得尤为重要。为选取CFD仿真软件，对不同软件进行了对比分析，优选出了Fluent和CFX仿真软件，并给出了仿真案例。

天然气管道泄漏；扩散规律；CFD仿真技术

随着天然气管网建设力度的加大，由管道天然气泄漏引发的事故屡见不鲜。为了预防这类事故的发生并在事故发生后提供补救措施，对管道天然气泄漏的分析很有必要。国内外目前对气体扩散模拟的主要研究方法可分为三大类：根据模型自己建立程序进行模拟；运用CFD软件进行模拟；利用其它学科中的一些方法进行模拟。

在气体模拟研究中，数学模型是预测污染物在大气中扩散运行轨迹和浓度的基础和依据，模拟往往涉及很多参数和复杂庞大的数学运算，有时花费大量人力物力仍须借助计算机技术辅助完成，在此情况下，以应用为目的的大气扩散计算机模式软件应运而生。

1 管道泄漏扩散的典型CFD软件

1.1 FDM 软件

FDM为飞散粉尘模式，该模式专门为计算机模拟飞散粉尘源的污染扩散浓度及沉降影响而设计，该模式可以同时进行点源、线源、面源的模拟预测并将模拟结果自动进行线性叠加，模拟运算处理基本上采用高斯烟羽公式，对于粉尘干、湿沉降的处理在传统高斯粉尘模式基础上作了一些改进。该模式考虑不同粒径粒子的重力沉降阻力与沉降速率、多源的扩散贡献及浓度叠加与影响等，为其精确模拟污染源不同情形下的粉尘扩散浓度分布及沉降变化奠定了良好基础［1］。

1.2 ISC3软件

ISC3与ISC3VIEW为复合工业源经典扩散模式，该模式广泛用于工业污染源如SO2、NOX、CO、有机碳氢化合物气体、粉尘等污染的模拟预测。该模式建立在高斯烟羽模式的基础上，是目前国际先进发达国家用于大气污染预测模拟方面较先进的应用软件。ISC3用于大型复合工业源污染预测模拟，可以选择输入特定的污染条件，源强分布变化，根据气象条件和相应参数，对污染物扩散影响范围和程度进行模拟预测。适用范围包括单个点源、面源、体积源和一组常见或非常见的多类复合源［2-3］。

1.3 FLUENT软件

FLUENT公司的软件设计基于CFD软件群的思想，针对各种复杂流动的物理现象，FLUENT软件采用的数值解法，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到优化组合，从而高效地解决各个领域的复杂流动计算问题，模拟流动、传热和化学反应等物理现象。由于采用了统一的前、后置处理工具，在各种软件之间可以方便地进行数据交换［4］，提高工作效率［5］。

FLUENT软件主要特征表现为以下几个方面：

（1）强大的网格支持能力。支持界面不连续的网格、混合网格、变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有多种基于解的网格自适应技术以及网格动态自适应技术，对于捕捉非常复杂的物理现象非常有利。

（2）先进的数值解法。该软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法和耦合隐式算法，从而使FLUENT软件适用于低速不可压流动、跨声速流动乃至压缩性强的超声速和高超声速流动。

（3）博采众长的物理模型功能。用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流、传热和传质、多孔介质、化学反应、颗粒运动、多相流、自由表面流、相变流等复杂的流动现象。

1.4 CFX软件

CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件，是英国AEA Technology公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发的。CFX软件的优势在于处理流动物理现象简单而几何形状复杂的问题。适用于直角／柱面／旋转坐标系，稳态／非稳态流动，瞬态／滑移网格，不可压缩／弱可压缩／可压缩流体，浮力流，多相流，非牛顿流体，化学反应，燃烧，NOx生成，辐射，多孔介质及混合传热过程。CFX采用有限元法，自动时间步长控制，IMPLE 算法，代数多网格、ICCG、Line、Stone和Block Stone解法，能有效、精确地表达复杂几何形状，任意连接模块即可构造所需的几何图形。CFX引进了各种公认的湍流模型，例如：k-e模型，低雷诺数k-e模型，RNG k-e模型，代数雷诺应力模型，微分雷诺应力模型，微分雷诺通量模型等。CFX的多相流模型可用于分析工业生产中出现的各种流动，包括单体颗粒运动模型，连续相及分散相的多相流模型和自由表面的流动模型［6］。

1.5 NUMECA软件

NUMECA国际公司成立于1992年，其核心软件是在上世纪80～90年代为欧洲宇航局（ESA）编写的CFD软件——欧洲空气动力数值求解器的基础之上发展起来的。由于它的前身是计算高速流动的专业级软件，从而软件的核心部分离散格式与解法，以及跟求解密切相关的多层网格等方面的质量很高，其中心格式采用了Jameson人工黏性显格式，上风格式采用基于TVD与通量差分分裂方法的高精致格式，方程求解采用多步Runge-kutta法，低速计算采用预条件法等，并采用了多层网格与隐式残差光顺法等加速收敛技术。

1.6 PHOENICS软件

PHOENICS软件是世界上第一套计算流体与计算传热学商用软件，它是Parabolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series几个字母的缩写，只要有流动和传热都可以使用PHOENICS程序来模拟计算［6］。

PHOENICS软件以低速热流输运现象为主要模拟对象，在流体模型上面内置了22种适合于各种Re数场合的湍流模型，包括雷诺应力模型、多流体湍流模型和通量模型及k-e模型的各种变异，共计21个湍流模型，8个多相流模型，10多个差分格式。PHOENICS的边界条件设置也很有特点，是以源项的方式给定的。它附带了从简到繁的大量算例，一般的工程应用问题几乎都可以从中找到相近的范例，再作一些修改就可计算用户的课题，所以能给用户带来极大方便。PHOENICS的开放性很好，提供对软件现有模型进行修改、增加新模型的功能和接口，可以用FORTRAN语言进行二次开发。由于PHOENICS以压力校正法为基本解法，从而不大适合高速可压流计算［6］。

2 CFD软件仿真案例

2.1 Fluent仿真案例

李振林等的《基于FLUENT的高含硫天然气管道泄漏扩散模拟》［7-8］利用 CFD软件FLUENT对其扩散进行了模拟，得到了下列结果：

（1）天然气扩散时，甲烷受正浮力作用，它总能到达计算区域的顶部。

（2）受重气扩散时沉积卷积效应的影响，高含硫天然气泄漏扩散时近地面的横向污染距离加大，烟云高度降低，增加了抢险救灾的难度。

（3）高含硫天然气在有风作用时，由于低空泄漏口附近射流速度和梯度都很大，扩散受风速影响很小，随着高度增加，受风速影响加大。

（4）综合考虑甲烷及硫化氢浓度，当风速为15 m／s时，含硫化氢15%的高压天然气泄漏扩散的爆炸危险范围为上风向2 000 m到600 m，下风向0到2 000 m。

（5）山顶地形条件下的扩散规律与平地类似，当风速为15 m／s时，含硫化氢15%的高压天然气泄漏扩散的爆炸危险范围为上风向500 m到下风向1500 m，高度从200 m到1 500 m。

马存栋的《高压天然气管道破裂气体扩散规律模拟结果分析》中采用国际上著名的流动与传热商业软件Fluent5.4对高压天然气管道破裂时天然气的扩散规律进行了数值模拟，所采用的数学模型为无化学反应的燃烧计算模型。模拟结果表明，采取5.0%和15%为甲烷的爆炸上、下限，甲烷的危险范围在以泄漏点为中心，半径14.0～23.5 m的圆环区域内［9］。

2.2 CFX仿真案例

石永春等的《CFX仿真软件在局部油气扩散中的应用》［10］利用CFX数值仿真技术获取了无干扰条件下局部油气扩散的效果特性，得出以下结论。

（1）应用CFX进行油气扩散仿真，仿真效果直观、明显，所得仿真结果与理论分析一致，可以作为油气扩散领域研究的一种有效手段。

（2）通过计算机的仿真模拟，不仅降低了研究成本，而且减少了物理试验时间及操作带来的不便，尤其适用于高危险场所的油气扩散研究。

（3）根据扩散模拟结果，可以对油气源周围区域进行危险等级划分，为进一步采取油气控制措施提供理论依据。

CFX仿真软件虽然有很多优点，但并不能完全代替物理试验，在实际应用中，还需结合具体油气扩散工况，将已有经验、物理试验和仿真模拟三者结合起来综合考虑。

3 分析与讨论

从诸多论文、信息中可以看出，许多学者根据不同理论体系建立了很多气体扩散模式，利用相应模型针对某一方面进行了CFD软件计算，或者对诸多CFD商业通用软件进行了概括综述对比，但均缺乏具体环境下各类计算模拟软件具体数据详细比对分析，不能为实际运用提供有效快捷的选择依据。利用目前几种功能较为强大的CFD软件，如FLUENT、STAR-CD、CFX、PHOENICS等，模拟给定条件（风速、温度、泄漏口径、泄漏点压力等）下的不同组分气体扩散，对照已有数据分析各个软件在各种参数指标上的模拟优劣，为现场事故处理给出迅速的软件选择，得出相关有效数据，如泄漏场周围的压力分布图、温度分布图、速度场分布图和浓度分布图及油气扩散范围、抢修安全警戒范围等，为及时有效预测气体泄漏危险范围及应急元的制定提供尽可能准确有效的依据。

在上述的商用CFD软件中，每个软件均有其有最适合的应用范围，对于高压泄漏的气体来说，可以通用，但不一定完全适合。另外，对于高压泄漏气体扩散，其各类参数较为繁琐且有其特定要求，能否在软件模拟时完全考虑到参数对于气体扩散的影响，是一个需要考虑的问题。

对于硬件的有限问题，根据已有条件，结合所选择的计算软件特点，需要在必要时对计算软件参数进行修定，争取在充分利用有限资源的基础上达到最理想的精度。

天然气是一种多组分组成的混合气体，但是由于各个地区气体含量组分不同，且硫化氢相对空气是重气，其含量的多少直接影响了模拟时模型的选择，特别是在多种计算软件中不同的气体组分决定了软件的计算精度及准确度。所以，需在必要的时候对模型进行适当的修正和改进。