陸 冰 張夢真 李 瑩 郭 攀 邱漢青
1 河南建筑材料研究設計院有限責任公司(450002) 2 鄭州大學力學與工程科學學院(450000)
ANSYS ICEM CFD 簡稱 ICEM。 ANSYS ICEM CFD 是一款功能強大的前處理軟件,不僅可以為主流的CFD 軟件(如FLUENT、CFX)提供高質量的網格, 而且還可以完成多種CAE 軟件 (如ANSYS、Abaqus、LS-Dyna) 的前處理工作。 ANSYS ICEM CFD 是目前市場上最強大的六面體結構化網格生成工具。 隨著ANSYS ICEM CFD 在我國的普及和應用,其網格生成優(yōu)勢已被業(yè)界認可,越來越多的工程人員選擇使用ANSYS ICEM CFD 生成網格[1]。
CFD 軟件 (Computational Fluid Dynamics),即計算流體動力學,簡稱CFD。CFD 是近代流體力學、數值數學、計算機科學結合的產物。 它以電子計算機為工具,應用各種離散化的數學方法,對流體力學的各類問題進行數值實驗、計算機模擬,以解決各種實際問題[2]。
有限體積法,又被稱為有限容積法。 以守恒型的方程(如:一維對流方程)為出發(fā)點,進行網格劃分之后,對流體經過的每一個單元區(qū)域進行積分平均化處理。 有限體積法的推導計算過程包括:網格劃分(網格可以任意劃分)、在各單元對方程進行積分平均得到相應的離散形式的代數方程、代入邊界條件聯立離散化的代數方程進行求解[3]。
目前我國天然氣輸氣管道最大管徑為1 420 mm,在城市中的管道直徑、管道中的輸氣壓力、管道埋深均較小。 城市中由于人口較多,貫穿城市的輸氣管道壓力不宜過大,一般為中低壓輸氣管道。管道可按天然氣壓力大小分類,見表1。
表1 天然氣壓力大小分類(單位:MPa)
1)物理模型的簡化過程
在模擬天然氣泄漏之后在土壤中的滲透時,假定土壤為各向同性,泄漏簡化為球狀泄漏,即天然氣在土壤中向四面八方以相同的方式滲透,相當于在土壤中存在一個天然氣泄漏源頭(可以理解成點光源),這樣就可以把問題簡化為二維。 從安全的角度考慮,可以取泄漏壓力為2 MPa 的高壓燃氣管道進行模擬分析。 在城市中,機動車不能到達的地方管道埋深要求不低于0.3 m; 埋設在車行道之下的輸氣管道,埋深要求不低于0.9 m。
2)參數設置
取天然氣管道泄漏直徑為100 mm,埋深分別為0.3 m 和0.9 m(即泄漏源處在距地表的相應距離處)分別進行模擬,計算域為平面矩形(也即整個模型為一個平面矩形)。 天然氣主要成分為甲烷,甲烷密度為 0.648 kg/m3,粘度為 11.067 pa·s,慣性損失系數為0,重力加速度取9.81 m/s2;入口設置為壓力入口,初速度取為0,入口壓力為2 MPa;出口設置為壓力出口,壓力大小為一個標準大氣壓;選擇湍流模型,多孔介質模型,土壤孔隙率取為0.5 m/s。
3)網格及計算結果云圖
埋深為0.3 m 時的情況,如圖1~圖7 所示。
圖1 整體網格
圖2 局部網格
圖3 壓力云圖
圖4 局部速度矢量圖
圖5 局部壓力云圖
圖6 速度云圖
圖7 局部速度云圖
埋深為0.9 m 時的情況,如圖8~圖14 所示。
圖8 整體網格圖
圖9 局部網格圖
圖10 整體壓力云圖
圖11 局部速度矢量圖
圖12 局部壓力云圖
圖13 速度云圖
圖14 局部速度云圖
由以上計算輸出的云圖可得出以下結果:
1)埋深為0.3 m 的管道,當天然氣滲透到地表時,最大速度約為2.2×10-3m/s;天然氣在滲透到地表時,形成了直徑約為1 m 的圓形氣池。
2)埋深為0.9 m 的管道,當天然氣滲透到地表時,最大速度約為8.64×10-4m/s;天然氣滲透到地表時,形成了直徑約為1 m 的圓形氣池。
由此,高壓輸氣管道天然氣泄漏之后在孔隙率為0.5 m/s 的土壤中的滲透速度較慢,100 mm 的泄露小孔的滲透范圍較大,達1 m 左右。
由以上滲透的結果可以看出, 天然氣管道的埋深無論是0.3 m 還是0.9 m,當天燃氣擴散到地表之后,形成的氣池寬度均約為1 m。 因此,在擴散的模型中,擴散源可近似假設為1 m 的圓形平面。 上述兩種情況的結果中,天然氣擴散到地表的最大速度約為2.2×10-3m/s,在擴散的天然氣入口一面,可取極端速度5 m/s。
擴散模型及參數設置: 以天然氣在地表形成的氣池為中心,建立一個半球為計算域,地表為壁面。選擇模型為湍流k-epsilon 模型,多組分運輸模型,組分中只含有甲烷和空氣。 入口處為上一步滲透出的天然氣,入口設置為速度入口,初始速度為55 m/s,方向取為垂直入口表面,壓力取為一個標準大氣壓;另外上半球面的一半作為空氣入口(圖15 所示右半球面),設置為速度入口,初始速度設置為1 m/s 和5 m/s(兩種情況下的模型圖、網格圖相同),方向為沿矢量(0,0,1)方向,壓力取一個標準大氣壓;另外一半球面作為自由出口; 重力加速度取9.81m/s2;甲烷氣體的各項參數與上述滲透時相同。則擴散的模型、網格及計算結果云圖如下:
圖15 模型圖
圖16 整體網格圖
圖17 局部網格圖
空氣入口速度為1 m/s 的計算結果 (以下均為x=0 平面上的切片圖):
圖18 速度切片云圖
圖19 局部速度矢量圖
圖20 甲烷的密度分布
圖21 甲烷的質量分數分布圖
結果分析:
1)由圖18 和圖19 可以看出天然氣在以1 m/s的運動的風的作用下, 沿著風的運動方向進行擴散, 天然氣的擴散范圍約在左側與地表成60°的空間內,擴散范圍大。
2)由圖20 和圖21 可以看出,天然氣主要分布在約與左側地表成45°的空間內, 局部最高密度達1.02 kg/m3,已達到天然氣的爆炸極限,遇明火時將會發(fā)生火災或者爆炸造成嚴重的后果。
空氣入口速度為5 m/s 的計算結果 (以下均為x=0 平面上的切片圖):
圖22 速度切片云圖
圖23 局部速度矢量圖
圖24 甲烷的密度分布
圖25 甲烷的質量分數分布圖
結果分析:
1) 由圖22 和圖23 可以看出天然氣在以5 m/s的運動的風的作用下,沿著風的運動方向進行擴散,天然氣的擴散范圍約在左側與地表成45°的空間內,擴散范圍較大。
2)由圖24 和圖25 可以看出,天然氣主要分布在約與左側地表成15°的空間內, 局部最高密度達0.993 kg/m3,已達到天然氣的爆炸極限,遇明火時將會發(fā)生火災或者爆炸造成嚴重的后果。
天然氣屬于危險性氣體,極易燃燒爆炸,在泄漏之后,很容易就達到天然氣的爆炸極限。 在前面有關滲透的計算中,我們可以看到,天然氣泄漏之后,滲透到地表形成了直徑將近1 m 的圓形氣池,相對于100 mm 的小孔來說還是挺大的。因此,天然氣的滲透范圍較大。 另外在上述兩個擴散算例中,當風速較小時,天然氣局部濃度較大,擴散范圍較大,更容易造成氣體中毒事故或發(fā)生爆炸火災等事故;當風速較大時,天然氣局部濃度也可以達到爆炸極限,擴散范圍較小,但擴散速度較快,可能會造成附近居民來不及撤離的現象,依然是很危險的。 因此,風速較小時,隨著時間的增長,天然氣擴散范圍大,局部濃度高,極具危險性;風速較大時,天然氣擴散速度快,范圍較小,局部濃度較低,但也不排除遇明火發(fā)生爆炸的危險,風速較大時也意味著火勢發(fā)展速度快、波及范圍廣。 天然氣發(fā)生泄漏事故時,一定要及時處理,規(guī)避危險。 對天然氣泄漏擴散的模擬探索,是為了掌握天然氣滲透擴散的運動規(guī)律,以解決實際生活中遇到的類似問題。