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(guī)律CFD研究現(xiàn)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(guī)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(guī)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(yōu)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(guī)律；CFD仿真技術

隨著天然氣管網(wǎng)建設力度的加大，由管道天然氣泄漏引發(fā)的事故屢見不鮮。為了預防這類事故的發(fā)生并在事故發(fā)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(nèi)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(jù)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(shù)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(jù)，模擬往往涉及很多參數(shù)和復雜龐大的數(shù)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(jié)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(tǒng)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(yè)源經(jīng)典擴散模式，該模式廣泛用于工業(yè)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(fā)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(yè)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(jù)氣象條件和相應參數(shù)，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(xiàn)象，F(xiàn)LUENT軟件采用的數(shù)值解法，以期在計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到優(yōu)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(xiàn)象。由于采用了統(tǒng)一的前、后置處理工具，在各種軟件之間可以方便地進行數(shù)據(jù)交換［4］，提高工作效率［5］。

FLUENT軟件主要特征表現(xiàn)為以下幾個方面：

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

（2）先進的數(shù)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(zhì)、多孔介質(zhì)、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(xiàn)象。

1.4 CFX軟件

CFX是全球第一個通過ISO9001質(zhì)量認證的大型商業(yè)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(yè)實際問題而開發(fā)的。CFX軟件的優(yōu)勢在于處理流動物理現(xiàn)象簡單而幾何形狀復雜的問題。適用于直角／柱面／旋轉(zhuǎn)坐標系，穩(wěn)態(tài)／非穩(wěn)態(tài)流動，瞬態(tài)／滑移網(wǎng)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(zhì)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(shù)多網(wǎng)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(gòu)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(shù)k-e模型，RNG k-e模型，代數(shù)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(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種流動，包括單體顆粒運動模型，連續(xù)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(shù)值求解器的基礎之上發(fā)展起來的。由于它的前身是計算高速流動的專業(yè)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(wǎng)格等方面的質(zhì)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(wǎng)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(xiàn)象為主要模擬對象，在流體模型上面內(nèi)置了22種適合于各種Re數(shù)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(xiàn)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(fā)。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(jié)果：

（1）天然氣擴散時 ，甲烷受正浮力作用 ，它總能到達計算區(qū)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?shù)匦螚l件下的擴散規(guī)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(guī)律模擬結(jié)果分析》中采用國際上著名的流動與傳熱商業(yè)軟件Fluent5.4對高壓天然氣管道破裂時天然氣的擴散規(guī)律進行了數(shù)值模擬，所采用的數(shù)學模型為無化學反應的燃燒計算模型。模擬結(jié)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(huán)區(qū)域內(nèi)［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(shù)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(jié)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(jié)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(jù)擴散模擬結(jié)果，可以對油氣源周圍區(qū)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(jù)。

CFX仿真軟件雖然有很多優(yōu)點，但并不能完全代替物理試驗，在實際應用中，還需結(jié)合具體油氣擴散工況，將已有經(jīng)驗、物理試驗和仿真模擬三者結(jié)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(jù)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(yè)通用軟件進行了概括綜述對比，但均缺乏具體環(huán)境下各類計算模擬軟件具體數(shù)據(jù)詳細比對分析，不能為實際運用提供有效快捷的選擇依據(jù)。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(shù)據(jù)分析各個軟件在各種參數(shù)指標上的模擬優(yōu)劣，為現(xiàn)場事故處理給出迅速的軟件選擇，得出相關有效數(shù)據(jù)，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(jù)。

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(shù)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(shù)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(jù)已有條件，結(jié)合所選擇的計算軟件特點，需要在必要時對計算軟件參數(shù)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(qū)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?qū)δＰ瓦M行適當?shù)男拚透倪M。

4 結(jié)論

（1）要考慮有風模式和靜風模式對于各類計算軟件結(jié)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(jié)果特點。

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

（3）山峰、山谷和平地等不同地形下各類計算軟件計算結(jié)果不同。

（4）相比于其他仿真軟件，F(xiàn)luent和CFX更為實用可行。

［1］ 吳宗之，高進東，魏利軍.危險評價方法及其應用［J］.北京：冶金工業(yè)出版社，2001：168-182.

［2］ 吳維平.氣體擴散模式與港口大氣環(huán)境質(zhì)量計算機模擬［J］.交通環(huán)保，2001，22（1）：9-15.

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

［4］ 趙琴.Fluent軟件的技術特點及其在暖通空調(diào)領域的應用［J］.計算機應用，2003，12（23）：424-425.

［5］ 于洪喜，李振林，張建，等，高含硫天然氣集輸管道泄漏擴散數(shù)值模擬［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2008，32（2）：119-122.

［6］ 姚征，陳康民.CFD通用軟件綜述［J］.上海理工大學學報，2002，24（2）：137-144.

［7］ 李振林，姚孝庭，張永學，等.基于FLUENT的高含硫天然氣管道泄漏擴散模擬［J］.油氣儲運，2009，27（5）：38-41.

［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(guī)律模擬結(jié)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(yè)于石油大學（華東）油氣儲運專業(yè)，研究方向為高壓天然氣管道泄漏時氣體擴散規(guī)律的CFD軟件計算對比。

李金華