天然氣管道泄漏擴散規律CFD研究現狀分析

畢 靜，張 默，何利民

（1.中國石油大學（華東），山東青島 266555；2.中國石油煤層氣有限責任公司韓城分公司）

天然氣管道泄漏擴散規律CFD研究現狀分析

畢 靜1，張 默2，何利民1

（1.中國石油大學（華東），山東青島 266555；2.中國石油煤層氣有限責任公司韓城分公司）

研究天然氣管道泄漏擴散規律可以為天然氣管道泄漏事故的預防和補救提供有效的解決辦法。在泄漏擴散規律的研究中，借助于計算機的CFD（Computional Fluid Dynamics）仿真技術不需要花費太大人力物力，且操作實施靈活方便，但由于CFD軟件種類繁多，選取高效、準確的仿真軟件顯得尤為重要。為選取CFD仿真軟件，對不同軟件進行了對比分析，優選出了Fluent和CFX仿真軟件，并給出了仿真案例。

天然氣管道泄漏；擴散規律；CFD仿真技術

隨著天然氣管網建設力度的加大，由管道天然氣泄漏引發的事故屢見不鮮。為了預防這類事故的發生并在事故發生后提供補救措施，對管道天然氣泄漏的分析很有必要。國內外目前對氣體擴散模擬的主要研究方法可分為三大類：根據模型自己建立程序進行模擬；運用CFD軟件進行模擬；利用其它學科中的一些方法進行模擬。

在氣體模擬研究中，數學模型是預測污染物在大氣中擴散運行軌跡和濃度的基礎和依據，模擬往往涉及很多參數和復雜龐大的數學運算，有時花費大量人力物力仍須借助計算機技術輔助完成，在此情況下，以應用為目的的大氣擴散計算機模式軟件應運而生。

1 管道泄漏擴散的典型CFD軟件

1.1 FDM 軟件

FDM為飛散粉塵模式，該模式專門為計算機模擬飛散粉塵源的污染擴散濃度及沉降影響而設計，該模式可以同時進行點源、線源、面源的模擬預測并將模擬結果自動進行線性疊加，模擬運算處理基本上采用高斯煙羽公式，對于粉塵干、濕沉降的處理在傳統高斯粉塵模式基礎上作了一些改進。該模式考慮不同粒徑粒子的重力沉降阻力與沉降速率、多源的擴散貢獻及濃度疊加與影響等，為其精確模擬污染源不同情形下的粉塵擴散濃度分布及沉降變化奠定了良好基礎［1］。

1.2 ISC3軟件

ISC3與ISC3VIEW為復合工業源經典擴散模式，該模式廣泛用于工業污染源如SO2、NOX、CO、有機碳氫化合物氣體、粉塵等污染的模擬預測。該模式建立在高斯煙羽模式的基礎上，是目前國際先進發達國家用于大氣污染預測模擬方面較先進的應用軟件。ISC3用于大型復合工業源污染預測模擬，可以選擇輸入特定的污染條件，源強分布變化，根據氣象條件和相應參數，對污染物擴散影響范圍和程度進行模擬預測。適用范圍包括單個點源、面源、體積源和一組常見或非常見的多類復合源［2-3］。

1.3 FLUENT軟件

FLUENT公司的軟件設計基于CFD軟件群的思想，針對各種復雜流動的物理現象，FLUENT軟件采用的數值解法，以期在計算速度、穩定性和精度等方面達到優化組合，從而高效地解決各個領域的復雜流動計算問題，模擬流動、傳熱和化學反應等物理現象。由于采用了統一的前、后置處理工具，在各種軟件之間可以方便地進行數據交換［4］，提高工作效率［5］。

FLUENT軟件主要特征表現為以下幾個方面：

（1）強大的網格支持能力。支持界面不連續的網格、混合網格、變形網格以及滑動網格等。值得強調的是，FLUENT軟件還擁有多種基于解的網格自適應技術以及網格動態自適應技術，對于捕捉非常復雜的物理現象非常有利。

（2）先進的數值解法。該軟件包含三種算法：非耦合隱式算法、耦合顯式算法和耦合隱式算法，從而使FLUENT軟件適用于低速不可壓流動、跨聲速流動乃至壓縮性強的超聲速和高超聲速流動。

（3）博采眾長的物理模型功能。用戶能夠精確地模擬無粘流、層流、湍流、傳熱和傳質、多孔介質、化學反應、顆粒運動、多相流、自由表面流、相變流等復雜的流動現象。

1.4 CFX軟件

CFX是全球第一個通過ISO9001質量認證的大型商業CFD軟件，是英國AEA Technology公司為解決其在科技咨詢服務中遇到的工業實際問題而開發的。CFX軟件的優勢在于處理流動物理現象簡單而幾何形狀復雜的問題。適用于直角／柱面／旋轉坐標系，穩態／非穩態流動，瞬態／滑移網格，不可壓縮／弱可壓縮／可壓縮流體，浮力流，多相流，非牛頓流體，化學反應，燃燒，NOx生成，輻射，多孔介質及混合傳熱過程。CFX采用有限元法，自動時間步長控制，IMPLE 算法，代數多網格、ICCG、Line、Stone和Block Stone解法，能有效、精確地表達復雜幾何形狀，任意連接模塊即可構造所需的幾何圖形。CFX引進了各種公認的湍流模型，例如：k-e模型，低雷諾數k-e模型，RNG k-e模型，代數雷諾應力模型，微分雷諾應力模型，微分雷諾通量模型等。CFX的多相流模型可用于分析工業生產中出現的各種流動，包括單體顆粒運動模型，連續相及分散相的多相流模型和自由表面的流動模型［6］。

1.5 NUMECA軟件

NUMECA國際公司成立于1992年，其核心軟件是在上世紀80～90年代為歐洲宇航局（ESA）編寫的CFD軟件——歐洲空氣動力數值求解器的基礎之上發展起來的。由于它的前身是計算高速流動的專業級軟件，從而軟件的核心部分離散格式與解法，以及跟求解密切相關的多層網格等方面的質量很高，其中心格式采用了Jameson人工黏性顯格式，上風格式采用基于TVD與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，低速計算采用預條件法等，并采用了多層網格與隱式殘差光順法等加速收斂技術。

1.6 PHOENICS軟件

PHOENICS軟件是世界上第一套計算流體與計算傳熱學商用軟件，它是Parabolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series幾個字母的縮寫，只要有流動和傳熱都可以使用PHOENICS程序來模擬計算［6］。

PHOENICS軟件以低速熱流輸運現象為主要模擬對象，在流體模型上面內置了22種適合于各種Re數場合的湍流模型，包括雷諾應力模型、多流體湍流模型和通量模型及k-e模型的各 種變異，共計21個湍流模型，8個多相流模型，10多個差分格式。PHOENICS的邊界條件設置也很有特點，是以源項的方式給定的。它附帶了從簡到繁的大量算例，一般的工程應用問題幾乎都可以從中找到相近的范例，再作一些修改就可計算用戶的課題，所以能給用戶帶來極大方便。PHOENICS的開放性很好，提供對軟件現有模型進行修改、增加新模型的功能和接口，可以用FORTRAN語言進行二次開發。由于PHOENICS以壓力校正法為基本解法，從而不大適合高速可壓流計算［6］。

2 CFD軟件仿真案例

2.1 Fluent仿真案例

李振林等的《基于FLUENT的高含硫天然氣管道泄漏擴散模擬》［7-8］利用 CFD軟件FLUENT對其擴散進行了模擬，得到了下列結果：

（1）天然氣擴散時 ，甲烷受正浮力作用 ，它總能到達計算區域的頂部。

（2）受重氣擴散時沉積卷積效應的影響，高含硫天然氣泄漏擴散時近地面的橫向污染距離加大，煙云高度降低，增加了搶險救災的難度。

（3）高含硫天然氣在有風作用時，由于低空泄漏口附近射流速度和梯度都很大，擴散受風速影響很小，隨著高度增加，受風速影響加大。

（4）綜合考慮甲烷及硫化氫濃度，當風速為15 m／s時，含硫化氫15%的高壓天然氣泄漏擴散的爆炸危險范圍為上風向2 000 m到600 m，下風向0到2 000 m。

（5）山頂地形條件下的擴散規律與平地類似，當風速為15 m／s時，含硫化氫15%的高壓天然氣泄漏擴散的爆炸危險范圍為上風向500 m到下風向1500 m，高度從200 m到1 500 m。

馬存棟的《高壓天然氣管道破裂氣體擴散規律模擬結果分析》中采用國際上著名的流動與傳熱商業軟件Fluent5.4對高壓天然氣管道破裂時天然氣的擴散規律進行了數值模擬，所采用的數學模型為無化學反應的燃燒計算模型。模擬結果表明，采取5.0%和15%為甲烷的爆炸上、下限，甲烷的危險范圍在以泄漏點為中心，半徑14.0～23.5 m的圓環區域內［9］。

2.2 CFX仿真案例

石永春等的《CFX仿真軟件在局部油氣擴散中的應用》［10］利用CFX數值仿真技術獲取了無干擾條件下局部油氣擴散的效果特性，得出以下結論。

（1）應用CFX進行油氣擴散仿真，仿真效果直觀、明顯，所得仿真結果與理論分析一致，可以作為油氣擴散領域研究的一種有效手段。

（2）通過計算機的仿真模擬，不僅降低了研究成本，而且減少了物理試驗時間及操作帶來的不便，尤其適用于高危險場所的油氣擴散研究。

（3）根據擴散模擬結果，可以對油氣源周圍區域進行危險等級劃分，為進一步采取油氣控制措施提供理論依據。

CFX仿真軟件雖然有很多優點，但并不能完全代替物理試驗，在實際應用中，還需結合具體油氣擴散工況，將已有經驗、物理試驗和仿真模擬三者結合起來綜合考慮。

3 分析與討論

從諸多論文、信息中可以看出，許多學者根據不同理論體系建立了很多氣體擴散模式，利用相應模型針對某一方面進行了CFD軟件計算，或者對諸多CFD商業通用軟件進行了概括綜述對比，但均缺乏具體環境下各類計算模擬軟件具體數據詳細比對分析，不能為實際運用提供有效快捷的選擇依據。利用目前幾種功能較為強大的CFD軟件，如FLUENT、STAR-CD、CFX、PHOENICS等，模擬給定條件（風速、溫度、泄漏口徑、泄漏點壓力等）下的不同組分氣體擴散，對照已有數據分析各個軟件在各種參數指標上的模擬優劣，為現場事故處理給出迅速的軟件選擇，得出相關有效數據，如泄漏場周圍的壓力分布圖、溫度分布圖、速度場分布圖和濃度分布圖及油氣擴散范圍、搶修安全警戒范圍等，為及時有效預測氣體泄漏危險范圍及應急元的制定提供盡可能準確有效的依據。

在上述的商用CFD軟件中，每個軟件均有其有最適合的應用范圍，對于高壓泄漏的氣體來說，可以通用，但不一定完全適合。另外，對于高壓泄漏氣體擴散，其各類參數較為繁瑣且有其特定要求，能否在軟件模擬時完全考慮到參數對于氣體擴散的影響，是一個需要考慮的問題。

對于硬件的有限問題，根據已有條件，結合所選擇的計算軟件特點，需要在必要時對計算軟件參數進行修定，爭取在充分利用有限資源的基礎上達到最理想的精度。

天然氣是一種多組分組成的混合氣體，但是由于各個地區氣體含量組分不同，且硫化氫相對空氣是重氣，其含量的多少直接影響了模擬時模型的選擇，特別是在多種計算軟件中不同的氣體組分決定了軟件的計算精度及準確度。所以，需在必要的時候對模型進行適當的修正和改進。

4 結論

（1）要考慮有風模式和靜風模式對于各類計算軟件結果的影響，分析各類計算軟件在不同模式下對于擴散濃度、壓力分布、溫度分布、速度場分布的計算結果特點。

（2）不同組分的氣體對于各類計算軟件計算結果有一定影響，應對比計算誤差，判斷軟件優劣。

（3）山峰、山谷和平地等不同地形下各類計算軟件計算結果不同。

（4）相比于其他仿真軟件，Fluent和CFX更為實用可行。

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［3］ 吳維平.化學品蒸汽擴散模式在油港的應用［J］.交通環保，2000，21（6）：12-15.

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［8］ 劉霞，葛新鋒.FLUENT軟件及其在我國的應用［J］.能源利用與研究，2003，（2）：36-38.

［9］ 馬存棟.高壓天然氣管道破裂氣體擴散規律模擬結果分析［J］.油氣田地面工程，2005，24（3）：8-10.

［10］ 石永春，王文娟，曹澤昱，等.CFX仿真軟件在局部油氣擴散中的應用［J］.油氣儲運，2008，27（2）：3-6.

TE78

A

1673-8217（2012）06-0129-03

2012-10-08

畢靜，講師，1983年生，2004年畢業于石油大學（華東）油氣儲運專業，研究方向為高壓天然氣管道泄漏時氣體擴散規律的CFD軟件計算對比。

李金華