[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

摘要

本发明公开了一种天然气管道泄漏声场的数值仿真及特性分析方法，它涉及天然气管道泄漏技术领域；它的方法如下：一、天然气管道泄漏气体流动模型选用；二、天然气管道泄漏气体流场仿真及特性分析；三、天然气管道泄漏气体声场仿真及特性分析；本发明运用Gambit、Fluent和Tecplot三种软件，分别根据设定情况建立物理模型、进行仿真模拟和后处理工作，通过改变泄漏孔径大小、风速大小和建筑物的数量对泄漏与扩散的过程的流场与声场进行模拟。

主权项

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。