城镇天然气管道泄漏扩散的CFD模拟及后果分析

【摘要】：在天然气开发利用的飞速发展中，城市天然气输送管网越来越复杂。城镇天然气管道往往分布在人口和建筑集中的区域，这使得城镇天然气成为事故最频发、后果最严重的可燃可爆气体之一。掌握天然气泄漏扩散的规律可以对泄漏事故进行准确的预测、评价和控制，从而降低天然气管输事故的发生。 本文建立了城镇天然气管道的泄漏扩散模型，从理论分析、CFD数值模拟、实验验证三个方面对其作了系统的研究。 首先，利用流体力学基本理论分析天然气管道泄漏扩散的流动过程，建立气体流动基本控制方程；对气体紊流射流进行理论分析，建立天然气泄漏扩散的湍流模型；运用流体力学及工程热力学基本公式推导出三种泄漏模型：管道模型、管道—小孔综合模型、小孔模型以及对应的计算公式。利用Matlab数学软件编程计算出城镇高中压燃气管道可能会出现的泄漏事故下的泄漏量，汇总于表格中，为以后的研究提供参考； 其次，由于湍流流动是一种高度非线性流动，流动状态比较复杂，理论研究方法显然达不到要求，本论文通过理论分析并结合工程实际情况，建立城镇街道模式下天然气管道泄漏扩散的几何模型，利用CFD数值模拟软件对其进行模拟计算，对模拟结果进行分析，得出城镇高中压燃气管道泄漏扩散的一般规律。并用CFD模拟不同时间、不同管道压力、不同泄漏孔径以及不同障碍物条件下天然气的泄漏扩散状况，分析不同因素对天然气泄漏扩散的影响； 最后，为了检验模拟数值模拟的合理性，利用相似性原理并结合燃气实验室实际情况建立实验模型并进行实验测量，将实验结果与模拟结果进行比较，得出实验结果与模拟结果在允许误差范围之内，证明了CFD数值模拟的正确性，说明利用k湍流模型对天然气管道泄漏扩散的模拟计算是可行的。 【关键词】：城镇燃气 泄漏 CFD数值模拟 实验论证
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU996.7
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 绪论9-21
• 1.1 课题研究背景9-14
• 1.1.1 天然气管道建设发展概况9-10
• 1.1.2 天然气管道的安全状况10-14
• 1.2 国内外研究现状14-18
• 1.2.1 泄漏过程研究15-16
• 1.2.2 扩散过程研究16-17
• 1.2.3 火灾爆炸后果研究17-18
• 1.3 主要研究内容和方法18-20
• 1.4 课题研究技术路线20-21
• 2 流体力学基本理论分析及泄漏量实例计算21-42
• 2.1 流体力学基本方程21-23
• 2.1.1 连续性方程21-22
• 2.1.2 动量方程22
• 2.1.3 能量方程22-23
• 2.1.4 气体状态方程23
• 2.1.5 组分方程23
• 2.2 气体射流理论及湍流模型分析23-30
• 2.2.1 气体射流概念及分类23-24
• 2.2.2 气体自由紊流射流过程分析24-25
• 2.2.3 天然气管道泄漏的紊流射流特点25-26
• 2.2.4 湍流模型概述26-30
• 2.3 天然气管道泄漏模型的建立与实例计算30-41
• 2.3.1 管道泄漏情况分析30-31
• 2.3.2 泄漏模型的建立与公式推导31-36
• 2.3.3 最大泄漏流量限制的讨论36-37
• 2.3.4 本课题泄漏量实例计算37-41
• 2.4 本章小结41-42
• 3 管道天然气泄漏扩散的 CFD 数值模拟42-53
• 3.1 计算流体力学概述42-46
• 3.1.1 计算流体力学基本思想和本质42
• 3.1.2 计算流体力学的优势42-43
• 3.1.3 计算流体力学软件介绍43-45
• 3.1.4 计算流体力学求解步骤45-46
• 3.2 本课题 GAMBIT 建模及网格划分46-49
• 3.2.1 物理模型的建立46-47
• 3.2.2 利用 GAMBIT 建立几何模型47
• 3.2.3 网格划分及设定边界条件类型47-49
• 3.3 FLUENT 数值模拟计算49-51
• 3.3.1 FLUENT 求解器选择49-50
• 3.3.2 FLUENT 运行环境设置50
• 3.3.3 FLUENT 计算模型选择50
• 3.3.4 FLUENT 初始条件和边界条件设置50-51
• 3.3.5 FLUENT 求解参数设置51
• 3.4 TECPLOT 后处理51-52
• 3.5 本章小结52-53
• 4 CFD 模拟结果及影响因素分析53-67
• 4.1 CFD 数值模拟结果分析53-58
• 4.1.1 非稳态模拟结果分析54-56
• 4.1.2 稳态模拟结果分析56-57
• 4.1.3 模拟结果部分汇总57-58
• 4.2 影响因素分析58-65
• 4.2.1 泄漏时间对泄漏扩散的影响59-60
• 4.2.2 管道压力对泄漏扩散的影响60-61
• 4.2.3 泄漏孔径对泄漏扩散的影响61-62
• 4.2.4 障碍物对泄漏扩散的影响62-65
• 4.3 危险区域分析65-66
• 4.4 本章小结66-67
• 5 实验论证67-80
• 5.1 实验目的67
• 5.2 实验设计原则67-68
• 5.2.1 实验设计原则68
• 5.2.2 实验设计方法68
• 5.3 实验设计理论基础及计算68-72
• 5.3.1 相似原理68-70
• 5.3.2 相似准则数相等70
• 5.3.3 本课题实验模型相似计算70-72
• 5.4 实验步骤72-76
• 5.4.1 实验方案设计72-73
• 5.4.2 主要实验器材73-74
• 5.4.3 实验操作步骤74-76
• 5.5 实验结果与模拟结果的对比分析76-79
• 5.6 本章小结79-80
• 6 结论与展望80-82
• 6.1 结论80
• 6.2 建议与展望80-82
• 致谢82-83
• 参考文献83-86
• 附表86-96
• 附表 1 观测点浓度随时间变化（P=0.4MPA，D=0.2M，D=0.2M）86-88
• 附表 2 天然气射流高度汇总88-90
• 附表 3 实验测量与模拟计算射流速度比较90-94
• 附表 4 泄漏量计算的 MATLAB 计算编码94-96
• 附录96

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