[发明专利]一种天然气管道泄漏声场的数值仿真及特性分析方法

权利要求书

1.一种天然气管道泄漏声场的数值仿真及特性分析方法，其特征在于：它的方法如下：

步骤一、天然气管道泄漏气体流动模型选用：

1.1、模拟区域及网格划分：

1.1.1、物理模型的建立：

采用Gambit进行建模，采用二维模型进行计算；根据模拟要实现的目标，将选取一个足够大的空间，来进行天然气泄漏后在此空间的扩散情况；

1.1.2、初始条件与边界条件：

初始条件就是在起始时刻，模型中流场内每一个点的状态；模拟计算的初始条件为：天然气处于未泄漏状态，浓度和速度都为零，流场内充满空气并保持稳定状态；

1.1.3、网格的选取与划分：

在一个Gambit建立的物理模型中，在泄漏口上方的喷射区域里加密网格，模型中的线，都采用1m间隔来划分线网格，后根据线网格采用非结构化三角形网格进行面网格的填充；采用1m间隔划分线网格，并根据线网格的划分填充面网格；

1.2、计算模型及求解方法：

1.3.1、湍流模型概述：

采用湍流运动模型；

在k-ε模型中，k是湍能，ε是湍能的耗散率，两者分别反映出特征速度与特征长度尺度，主要通过求解两个附加方程来确定湍流黏性系数，并利用Boussinesq假定简化，求接触湍流应力：

k方程：

∂ K ∂ t + U ‾ j ∂ K ∂ x j = - ∂ ∂ x j ( υ t σ k ∂ K ∂ x i ) + υ t ( ∂ U ‾ i ∂ x j + ∂ U ‾ j ∂ x i ) ∂ U ‾ i ∂ x j - C D K 3 2 l - - - ( 2 - 16 ) ]]>

ε方程：

D ϵ D t = ∂ ∂ x l ( C ϵ K 2 ϵ ∂ ϵ ∂ x l ) - C ϵ 1 u ‾ i u ‾ l ∂ U ‾ i ∂ x l - C ϵ 2 ϵ 2 K - - - ( 2 - 17 ) ]]>

其中Cε＝0.09，Cε1＝1.44，Cε2＝1.92，CD＝0.8，湍能k和湍能耗散率ε的湍流普朗特数为：σk＝1.0，σε＝1.3，且υt＝CμK2/ε；

1.2.2、求解设置与数值模拟：

采用Fluent进行模拟仿真，这包含三个部分，首先在Gambit中进行物理模型的建立、网格的划分、边界条件的选用；然后在Fluent中选择求解方程、所需模型，并进一步设定边界条件和控制参数，并开始计算；最后将Fluent求解完毕后保存的文件导入Tecplot中进行后处理，直接显示图像或将图像逐帧播放观看，Fluent所保存文件中所包含的具体数据也可在其中调用；

其中步骤一确定了模拟区域，并利用Gambit在模拟区域内进行物理模型的建立，通过对比选择出，以连续性方程、动量方程、能量方程、气体状态方程，组分方程、大涡模拟的控制方程和FW-H方程为基础依据，在湍流模型中选用k-ε模型作为传输模型，组分输运模型则为扩散模型；而后利用Fluent开启选用的模型，在考虑重力和全浮力的情况下对甲烷、硫化氢、空气的混合物进行模拟分析；

步骤二、天然气管道泄漏气体流场仿真及特性分析：

通过对泄漏孔径0.06m、0.006m，风速为0m/s、1m/s、5m/s时，单建筑物或双建筑物的情况分别进行模拟仿真，分析结果得知：小孔泄漏模型下，泄漏孔径越大泄漏量越多；风速越大射流偏斜越早，偏斜角度越大；风速较大时会在近地面处形成气团堆积，而后在水平方向上扩散，或沿着建筑物的迎风面利用浮力上升，越过建筑物后随风扩散；射流尽头的烟羽部分则因重力和大气湍流的作用，动能逐渐减少，浓度被空气稀释，最终扩散；还对天然气的危险性进行了分析，天然气在泄漏口处及风速较大时产生的气团均有爆炸的风险，浓度均逐渐增高至超过爆炸极限(5％～15％)；且由于初始温度、初始压力、天然气纯度的不同，爆炸极限范围会发生变化；

步骤三、天然气管道泄漏气体声场仿真及特性分析：

运用Fluent在流场分析的基础上，采用LES模拟压力脉动，对声场进行分析，分析结果表明：由扩散衰减和吸收衰减的影响，泄漏孔径越大，声场中的声压P与声压级SPL也越大；距离泄漏口竖直方向0～0.5m内，距离泄漏口处越近，声压越大，较远的监视点(0.6～1.0m)则距离泄漏口处越近，声压越小，且由于喷射湍流的影响，压力呈震荡状态；竖直方向上的监视点离泄漏口越远，整体幅值越小，有风状态下，顺着风速方向越远的点，整体幅值也越小；风速从0m/s增至1m/s后，所有点处的整体幅值都明显减少，而从1m/s增至5m/s后，所有点处的整体幅值又增加，低频率的幅值明显上升；而风速增大自始至终都伴随着各点整体幅值波动幅度的变小；泄漏口附近声场的变化只与临近的建筑物有关，有建筑物阻挡后，竖直两点的整体幅值升高，风速方向上左侧点(24.6,0.5,0)在14.815～40.604Hz频率段幅值明显下降，右侧点(25.4,0.5,0)在25.240～125.104Hz频率段的幅值明显上升，即与无建筑物时相比，泄漏口左侧的点低频部分幅值下降，右侧的点低频部分幅值上升。