网格精度对山区地形气体泄漏CFD模拟影响的研究

张晓丽+吴莹莹+栗明+于聚龙

摘要：文章主要探讨了实际山区地形三维模型所划分网格的精度对气体泄漏模拟结果的影响。以普光某气田为例建立三维模型，运用数值模拟和流体力学的理论，根据山区地形风场模拟和气体泄漏模拟的要求，划分出疏密程度不相同的网格。运用fluent软件，模拟精密网格和粗糙网格对山区地形风场试算和气体泄漏结果的影响，得到山区地形气体泄漏的模拟对网格具有很大依赖性的结论。

关键词：CFD；网格；网格精度；山区地形；湍流；边界条件

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）34-0020-02

目前，气体泄漏的模拟很多都是在二维的情况下进行的，例如：山区地形高含硫输气管道环境风险事故模拟；室内空气对流的特征与模拟；含硫化氢高压天然气管道泄漏的数值模拟；国内关于三维模拟的研究和著作相对较少，不同精度网格对模拟的影响案例也不是很多，如：暖通空调风管接头压力损失数值的CFD精确模拟，不同地貌起伏状况下网格尺寸与DEM精度关系研究；CFD（fluent）在复杂环境液化天然气泄漏的应用；系统压力的数值研究对水平圆管中超临界水流动传热的影响。本文通过不同精度网格对模拟影响的对比得到最适合的网格精度，这对以后的数值模拟具有参考价值。

1 CFD建模及网格划分

常用的CFD求解器有FLUENT、PHONICS、CFX等，本研究选用FLUENT建模。本文选用的是7.24.5km2的山区面积建模，用Gambit进行网格的划分，通过局部加密的方式得到高质量的网格，因为网格质量会直接影响到模拟结果的精度。网格划分时采用的是非结构化网格，划分好体网格以后运用fluent的网格转化功能转化为多面体网格，大大减少网格的数目，从而降低模拟时的运算量。模拟之前建立好的不同精度的网格如下：建立Interval Size=70的网格，泄漏孔划分时interval size值为0.25，得到总的体网格数目为1431329个，也是在有限的计算机资源下可以用于硫化氢泄漏试算的最精密的网格，为后面研究网格的精度对山区地形气体泄漏模拟的影响提供基础的平台。Interval Size=80的网格，泄漏孔划分后只有六个网格，得到的网格质量相对比较粗糙，体网格的数目也有所减少。这两个都是相对比较粗糙的网格，但是下面的Interval Size=100的网格体网格数目更少，泄漏孔附近的网格更加稀疏，这连续的三个网格也是用于后面算例的三个网格，通过比较模拟结果得到网格质量对山区地形气体泄漏模拟的影响。

2 边界条件的设定

本算例所取地形为普光某气田的真实地形数据，所以风向取当地的最大频率风向（北风）。风场试算选用的是k-e模型中的Reliable模型，设定为稳态求解，不可压气体。Bottom和presser-inlet都设定为wall，地面的粗糙厚度设为0.5m，风速、温度和k、e的值调用UDF函数。气体组分氧气占23.29%，剩下的是氮气，其余气体的组分为0，其他的几个面设为outflow。

气体泄漏求解模型也是k-e模型，非稳态求解，不可压缩气体。Presser-inlet设定为Mass-flow-inlet。North设定为速度入口，气体组分的设定氧气占23.29%，氮气占76.71%，其余的气体组分均为0。其他的几个面设定为outflow。

3 模拟数据及结论

把不同监测点得到的数据用MATLAB处理，interval size等于70、80和100的三种网格（分别称为A网格、B网格和C网格），连续时间监测得到的数值绘制的图形，选用四个监测点，针对不同的时间，得到结果不同时间的监测点硫化氢浓度图。（1）比较网格的疏密对气体泄漏的影响得到山区地形气体泄漏的模拟对网格具有很大的依赖性。本算例中interval size等于100的网格不适合山区地形高含硫天然气泄漏的模拟，网格质量太差，以至于得到的结果偏离实际值太多；（2）在进行网格精度对气体泄漏影响的研究时，受计算机资源和计算时间的限制，试算中用的网格相比较而言还是比较粗糙，划分出的更加精密的网格对试算的影响还有待于更进一步的研究。

参考文献

[1] 王晓，等.山区地形高含硫输气管道环境风险事故模拟[J].中国环境科学，2008，28（1）.

[2] 邓启红.室内空气对流的特征与模拟[D].湖南大学，2004.

[3] 胡夏琦.含硫化氢高压天然气管道泄漏的数值模拟

[D].中国石油大学，2007.

[4] T.L.Hilderman，S.E.Hrudey，D.J.Wilson.A model for effective toxic load from fluctuating gas concentrations

[J].Journal of Hazardous Materials，1999.

[5] Shao，L.，S.B.Riffat，Accuracy of CFD for predicting pressure losses in HVAC duct fittings[J].Applied Energy，1995，51（3）.

[6] 史明昌，沈晶玉.不同地貌起伏状况下网格尺寸与DEM精度关系研究[J].水土保持研究，2006，6（3）.

[7] Gavelli，Filippo，Bullister，Edward，Kytomaa，Harri.Application of CFD（Fluent）to LNG spills into geometrically complex environments[J].Journal of Hazardous Materials，2008，11（1）.

[8] 章博，陈国明.毒气泄漏环境下人员暴露风险评估

[D].中国石油大学（华东），2009.

[9] 余斌，魏立新，辛颖.大庆油田天然气管道泄漏事故后果模拟[J].油气储运，2008，27（6）.

[10] 王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

作者简介：张晓丽（1988-），女，安徽人，中石化中原建设工程有限公司助理工程师。

摘要：文章主要探讨了实际山区地形三维模型所划分网格的精度对气体泄漏模拟结果的影响。以普光某气田为例建立三维模型，运用数值模拟和流体力学的理论，根据山区地形风场模拟和气体泄漏模拟的要求，划分出疏密程度不相同的网格。运用fluent软件，模拟精密网格和粗糙网格对山区地形风场试算和气体泄漏结果的影响，得到山区地形气体泄漏的模拟对网格具有很大依赖性的结论。

关键词：CFD；网格；网格精度；山区地形；湍流；边界条件

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）34-0020-02

目前，气体泄漏的模拟很多都是在二维的情况下进行的，例如：山区地形高含硫输气管道环境风险事故模拟；室内空气对流的特征与模拟；含硫化氢高压天然气管道泄漏的数值模拟；国内关于三维模拟的研究和著作相对较少，不同精度网格对模拟的影响案例也不是很多，如：暖通空调风管接头压力损失数值的CFD精确模拟，不同地貌起伏状况下网格尺寸与DEM精度关系研究；CFD（fluent）在复杂环境液化天然气泄漏的应用；系统压力的数值研究对水平圆管中超临界水流动传热的影响。本文通过不同精度网格对模拟影响的对比得到最适合的网格精度，这对以后的数值模拟具有参考价值。

1 CFD建模及网格划分

常用的CFD求解器有FLUENT、PHONICS、CFX等，本研究选用FLUENT建模。本文选用的是7.24.5km2的山区面积建模，用Gambit进行网格的划分，通过局部加密的方式得到高质量的网格，因为网格质量会直接影响到模拟结果的精度。网格划分时采用的是非结构化网格，划分好体网格以后运用fluent的网格转化功能转化为多面体网格，大大减少网格的数目，从而降低模拟时的运算量。模拟之前建立好的不同精度的网格如下：建立Interval Size=70的网格，泄漏孔划分时interval size值为0.25，得到总的体网格数目为1431329个，也是在有限的计算机资源下可以用于硫化氢泄漏试算的最精密的网格，为后面研究网格的精度对山区地形气体泄漏模拟的影响提供基础的平台。Interval Size=80的网格，泄漏孔划分后只有六个网格，得到的网格质量相对比较粗糙，体网格的数目也有所减少。这两个都是相对比较粗糙的网格，但是下面的Interval Size=100的网格体网格数目更少，泄漏孔附近的网格更加稀疏，这连续的三个网格也是用于后面算例的三个网格，通过比较模拟结果得到网格质量对山区地形气体泄漏模拟的影响。

2 边界条件的设定

本算例所取地形为普光某气田的真实地形数据，所以风向取当地的最大频率风向（北风）。风场试算选用的是k-e模型中的Reliable模型，设定为稳态求解，不可压气体。Bottom和presser-inlet都设定为wall，地面的粗糙厚度设为0.5m，风速、温度和k、e的值调用UDF函数。气体组分氧气占23.29%，剩下的是氮气，其余气体的组分为0，其他的几个面设为outflow。

气体泄漏求解模型也是k-e模型，非稳态求解，不可压缩气体。Presser-inlet设定为Mass-flow-inlet。North设定为速度入口，气体组分的设定氧气占23.29%，氮气占76.71%，其余的气体组分均为0。其他的几个面设定为outflow。

3 模拟数据及结论

把不同监测点得到的数据用MATLAB处理，interval size等于70、80和100的三种网格（分别称为A网格、B网格和C网格），连续时间监测得到的数值绘制的图形，选用四个监测点，针对不同的时间，得到结果不同时间的监测点硫化氢浓度图。（1）比较网格的疏密对气体泄漏的影响得到山区地形气体泄漏的模拟对网格具有很大的依赖性。本算例中interval size等于100的网格不适合山区地形高含硫天然气泄漏的模拟，网格质量太差，以至于得到的结果偏离实际值太多；（2）在进行网格精度对气体泄漏影响的研究时，受计算机资源和计算时间的限制，试算中用的网格相比较而言还是比较粗糙，划分出的更加精密的网格对试算的影响还有待于更进一步的研究。

参考文献

[1] 王晓，等.山区地形高含硫输气管道环境风险事故模拟[J].中国环境科学，2008，28（1）.

[2] 邓启红.室内空气对流的特征与模拟[D].湖南大学，2004.

[3] 胡夏琦.含硫化氢高压天然气管道泄漏的数值模拟

[D].中国石油大学，2007.

[4] T.L.Hilderman，S.E.Hrudey，D.J.Wilson.A model for effective toxic load from fluctuating gas concentrations

[J].Journal of Hazardous Materials，1999.

[5] Shao，L.，S.B.Riffat，Accuracy of CFD for predicting pressure losses in HVAC duct fittings[J].Applied Energy，1995，51（3）.

[6] 史明昌，沈晶玉.不同地貌起伏状况下网格尺寸与DEM精度关系研究[J].水土保持研究，2006，6（3）.

[7] Gavelli，Filippo，Bullister，Edward，Kytomaa，Harri.Application of CFD（Fluent）to LNG spills into geometrically complex environments[J].Journal of Hazardous Materials，2008，11（1）.

[8] 章博，陈国明.毒气泄漏环境下人员暴露风险评估

[D].中国石油大学（华东），2009.

[9] 余斌，魏立新，辛颖.大庆油田天然气管道泄漏事故后果模拟[J].油气储运，2008，27（6）.

[10] 王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

作者简介：张晓丽（1988-），女，安徽人，中石化中原建设工程有限公司助理工程师。

摘要：文章主要探讨了实际山区地形三维模型所划分网格的精度对气体泄漏模拟结果的影响。以普光某气田为例建立三维模型，运用数值模拟和流体力学的理论，根据山区地形风场模拟和气体泄漏模拟的要求，划分出疏密程度不相同的网格。运用fluent软件，模拟精密网格和粗糙网格对山区地形风场试算和气体泄漏结果的影响，得到山区地形气体泄漏的模拟对网格具有很大依赖性的结论。

关键词：CFD；网格；网格精度；山区地形；湍流；边界条件

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）34-0020-02

目前，气体泄漏的模拟很多都是在二维的情况下进行的，例如：山区地形高含硫输气管道环境风险事故模拟；室内空气对流的特征与模拟；含硫化氢高压天然气管道泄漏的数值模拟；国内关于三维模拟的研究和著作相对较少，不同精度网格对模拟的影响案例也不是很多，如：暖通空调风管接头压力损失数值的CFD精确模拟，不同地貌起伏状况下网格尺寸与DEM精度关系研究；CFD（fluent）在复杂环境液化天然气泄漏的应用；系统压力的数值研究对水平圆管中超临界水流动传热的影响。本文通过不同精度网格对模拟影响的对比得到最适合的网格精度，这对以后的数值模拟具有参考价值。

1 CFD建模及网格划分

常用的CFD求解器有FLUENT、PHONICS、CFX等，本研究选用FLUENT建模。本文选用的是7.24.5km2的山区面积建模，用Gambit进行网格的划分，通过局部加密的方式得到高质量的网格，因为网格质量会直接影响到模拟结果的精度。网格划分时采用的是非结构化网格，划分好体网格以后运用fluent的网格转化功能转化为多面体网格，大大减少网格的数目，从而降低模拟时的运算量。模拟之前建立好的不同精度的网格如下：建立Interval Size=70的网格，泄漏孔划分时interval size值为0.25，得到总的体网格数目为1431329个，也是在有限的计算机资源下可以用于硫化氢泄漏试算的最精密的网格，为后面研究网格的精度对山区地形气体泄漏模拟的影响提供基础的平台。Interval Size=80的网格，泄漏孔划分后只有六个网格，得到的网格质量相对比较粗糙，体网格的数目也有所减少。这两个都是相对比较粗糙的网格，但是下面的Interval Size=100的网格体网格数目更少，泄漏孔附近的网格更加稀疏，这连续的三个网格也是用于后面算例的三个网格，通过比较模拟结果得到网格质量对山区地形气体泄漏模拟的影响。

2 边界条件的设定

本算例所取地形为普光某气田的真实地形数据，所以风向取当地的最大频率风向（北风）。风场试算选用的是k-e模型中的Reliable模型，设定为稳态求解，不可压气体。Bottom和presser-inlet都设定为wall，地面的粗糙厚度设为0.5m，风速、温度和k、e的值调用UDF函数。气体组分氧气占23.29%，剩下的是氮气，其余气体的组分为0，其他的几个面设为outflow。

气体泄漏求解模型也是k-e模型，非稳态求解，不可压缩气体。Presser-inlet设定为Mass-flow-inlet。North设定为速度入口，气体组分的设定氧气占23.29%，氮气占76.71%，其余的气体组分均为0。其他的几个面设定为outflow。

3 模拟数据及结论

把不同监测点得到的数据用MATLAB处理，interval size等于70、80和100的三种网格（分别称为A网格、B网格和C网格），连续时间监测得到的数值绘制的图形，选用四个监测点，针对不同的时间，得到结果不同时间的监测点硫化氢浓度图。（1）比较网格的疏密对气体泄漏的影响得到山区地形气体泄漏的模拟对网格具有很大的依赖性。本算例中interval size等于100的网格不适合山区地形高含硫天然气泄漏的模拟，网格质量太差，以至于得到的结果偏离实际值太多；（2）在进行网格精度对气体泄漏影响的研究时，受计算机资源和计算时间的限制，试算中用的网格相比较而言还是比较粗糙，划分出的更加精密的网格对试算的影响还有待于更进一步的研究。

参考文献

[1] 王晓，等.山区地形高含硫输气管道环境风险事故模拟[J].中国环境科学，2008，28（1）.

[2] 邓启红.室内空气对流的特征与模拟[D].湖南大学，2004.

[3] 胡夏琦.含硫化氢高压天然气管道泄漏的数值模拟

[D].中国石油大学，2007.

[4] T.L.Hilderman，S.E.Hrudey，D.J.Wilson.A model for effective toxic load from fluctuating gas concentrations

[J].Journal of Hazardous Materials，1999.

[5] Shao，L.，S.B.Riffat，Accuracy of CFD for predicting pressure losses in HVAC duct fittings[J].Applied Energy，1995，51（3）.

[6] 史明昌，沈晶玉.不同地貌起伏状况下网格尺寸与DEM精度关系研究[J].水土保持研究，2006，6（3）.

[7] Gavelli，Filippo，Bullister，Edward，Kytomaa，Harri.Application of CFD（Fluent）to LNG spills into geometrically complex environments[J].Journal of Hazardous Materials，2008，11（1）.

[8] 章博，陈国明.毒气泄漏环境下人员暴露风险评估

[D].中国石油大学（华东），2009.

[9] 余斌，魏立新，辛颖.大庆油田天然气管道泄漏事故后果模拟[J].油气储运，2008，27（6）.

[10] 王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

作者简介：张晓丽（1988-），女，安徽人，中石化中原建设工程有限公司助理工程师。