基于Fluent的地下综合管廊天然气泄漏模拟及分析(开题报告)

论文题目基于Fluent的地下综合管廊天然气泄漏模拟及分析选题来源口国家级、口省部级、口厅局论文类型口工程设计、口理论研究、口实验研级、口横向、☑自拟究、☑计算机仿真、口综合论文开题日期2023年12月是否涉密口是☑否一、立题依据1、研究目的和意义1.1研究目的本文根据相关资料预设场景首先应用Space Claim建立与真实环境一致的地下综合管廊三维模型。在此模型的基础上在经过分析天然气管道的泄漏事故选取小孔泄漏事故进行瞬态分析，应用Fluent软件进行结构化网格划分。随后根据预设条件模拟仿真得出泄漏时天然气在管廊中扩散的规律并对结果进行定性、定量分析、无关性分析。模拟分析天然气输运管道的内部压力、输运温度等因素对天然气泄漏事故的影响大小。最后对仿真结果进行分析比较，得出天然气管道泄漏事故中各种因素对于事故后果严重程度的影响，对于保护环境和人身财产损失有非常重要的作用。1.2研究意义能源产业是国家的基础产业，对保障国家的安全、促进经济的可持续发展和人民生活水平的提高有着决定性作用②。在众多燃气中天然气氢碳比最高，净化处理后相当于清洁能源：且与其他燃气对比，可液化储存与输送，成本低，价格低，是优质的城市燃气。天然气是一种组分十分复杂多样的混合气体，其主体成分由烷烃组成，而烷烃中，甲烷又占了绝大部分，其次包括了乙烷、丙烷等烷烃。除了烷烃以外，通常情况下还会包含碳氧化物、硫化物、氮气和水，另有氦、氩等惰性气体，但是含量十分微小。在全球急剧增多的新的油气管道背景下，旧的管道随着服役时间的增加，管道难免会发生失效，而失效带来的灾祸会耗费大量的社会资产，威胁人们的人身安全，加剧了自然环境的恶化向。致使管道输送物资大量外泄浪费的重要缘由是管道泄漏和破裂，根据以往管道发生事故的统计数据揭示，内外腐蚀、第三方破坏、施工和揭接的瑕是造成管道泄漏的主要原因。天然气管道的泄漏不仅导致能源物料流失，给国家和社会造成巨大的经济损失。天然气泄漏到大气环境中，在泄漏区附近形成可燃预混气体，遇到火源，则会引发火灾或爆炸。故而，输送天然气管道的泄漏易引致一系列的次生灾害和恶果，例如各种火灾，以及1-爆破轰炸、人和牲畜中毒或伤亡等，威胁了社会的平和安定，并危及到个人乃至整个社会的资产。此外，泄漏出天然气伴生物、硫化氧、乙硫醇和其他物质滞留在大气中，促进全球变暖，造成植物品种有向两极分布的趋势，放出的少量乙稀使部分植物早熟，放出的含化合物使土壤酸化，在未来较长时间影响着生态环境和人类健康⑧)。因此，有效预防管道泄漏和爆炸对保障国民生命财产安全与环境保护具有重大意义。但是在已经建成的地下综合管廊进行天然气泄漏实验来测量数据是非常危险且不现实的。因此我利用Fluent流体力学计算软件，模拟地下综合管廊天然气管道发生小孔泄漏，泄漏气体在管廊中扩散的定性、定量分析。根据仿真结果分析其发生泄漏后的浓度分布和扩散趋势等情况。本次仿真模拟可以为地下综合管廊天然气管道的设计运行以及发生类似泄漏事故后分析提供参考，从而提高管道的安全可靠性，带来巨大的经济效益和社会效益。2、国内外研究现状和发展趋势2.1泄漏扩散过程研究2.1.1泄露模型气体的泄露模型在很早之前就已经开始建立，《工程流体流动与传热》一书中曾就对储罐的孔隙泄露模型和管道截面断裂计算模型进行了探究：同时尼日利亚与英国学者研究了在高压状态下的输气管线的泄露模型，并用特征值法和流体力学计算了泄漏率四。下面列举各国专家学者已经提出3种典型的泄漏模型。(1)小孔模型小孔泄漏模型是指由于腐蚀作用等原因导致管道设备穿孔，燃气自小孔向外泄漏的模型。天然气管道泄漏一般为孔泄漏，泄漏孔以圆形居多，建立模型时也已圆孔为基准建立。小孔泄漏的特点是难发现、漏点多、危险大。Mudan对压缩容器的小孔泄漏进行了研究。随后Youg假设管内起始压力值恒定，管道泄漏为绝热过程，得到了高压管道小孔泄漏速率的简化计算模型。COw1提出了另一个适用于高压管道发生管道特定情况下的计算模型，在规定的条件下提出了泄漏量的近似计算公式。但在面对更复杂的情况时，该模型并不适用。Helena Montiel分别对天然气管道中稳态和非稳态两种泄漏模型进行了分析研究随后我国的学者王大庆通过简化得到了计算模型公式。日常泄漏孔的直径都在10mm以下，对于20mm以下的孔都可以使用此模型。(2)管道模型管道泄漏模型指的是管道横截面完全断裂的模型，此模型的模式就是利用机械能守-2恒与能量守恒方程来描述管内气体的绝热流动过程。(3)管道小孔泄漏模型天然气管道泄漏的主要原因为第三方破坏和腐蚀穿孔，腐蚀引起的小孔引发的泄漏可用小孔模型来计算：对于第三方破坏引起管道泄漏，其孔口通常既不是小口也不属于完全破裂，泄漏状态介于两者之间时则需要一种更普遍的计算模型来计算。黄小美针对一元气体的流动特性和流动原理利用流体力学基本公式推导出了三种模型的泄漏量计算公式。他的创新点在于把实际过程中孔隙的泄漏与管道断裂泄漏模型进行了结合，重新建立了一种较为普遍，综合性质的泄漏模型。这种模型能够计算不同泄漏孔径的泄漏量，根据后来具体工程实例的模拟和分析，其结果真实可靠。2.1.2扩散过程研究天然气管道的泄漏扩散是此类事故发生的根源所，在针对管道泄漏过程以及扩散过程的相关实验模拟和研究分析中，外国的学者开启的比较早，他们早在在二十世纪七八十年代就已经开始了相关的研究和调查，并且到现在为止仍然在研究的道路上不断前行，为该领域的研究贡献自己的力量。在此过程中也创建了许多经典的计算模型如：Suto加模型、高斯模型(Gaussian Plume/Puff Model)、FEM3模型(3-D Finite ElementModel)、BM(Britten and Mc Queen)、板块模型、重气模型等，其中最著名的就是气体扩散模型四。早在上世纪七十年代美国就建立了气体的扩散模型，由美国迈阿密大学出版的《Mathematics of Environmental Process》就为过程分析模型的建立奠定了理论基础。国外学者在开展大量全尺寸试验和风洞试验的基础上，建立了低成本、短周期的数值模拟手段。Okamoto进行的扩散行为模拟研究侧面反映了数值模拟在研究气体扩散方面是可行的。2.2数值模拟研究2.2.1早期数值模拟研究针对地下易燃易爆气体管道泄漏扩散的研究，其中实验是最高效、最直接的研究扩散趋势、划分爆炸极限位置的方法，但现实生活中这样的实验可能带来的安全隐患和影响是无法预估的，并且此类实验所需要的经费十分巨大。但是随着计算机软硬件技术的发展，-3-国内外学者开始通过计算机进行数值计算来解决此类问题，其中计算流体力学(C℉D)方法因其具备精确模拟流场的能力得到了广泛应用。越来越多的国内外学者开始运用其研究城市燃气管道泄露等问题。C℉D模型即计算流体力学模型，通过求解守恒定律(N-S方程)来计算整个物理化学过程。计算机技术的发展使得数值模拟快速发展，并具备了周期短、耗费低、可重复、多维度、可自定义复杂地形等特点四。此类技术在过去的几十年里已成功模拟香港、曼哈顿2、等众多城市的环境危险性气体泄漏事故，模拟结果已被现场和实验室证明是可靠合理的。我国相关模拟实验的起步较晚最早可追溯到1997年