基于CFD埋地燃气管道泄漏三维数值模拟

1 概述

为了探究城镇燃气管道泄漏的扩散特性和危害范围，指导安全预防工作，学者们对天然气泄漏扩散问题开展了很多研究，主要集中在泄漏扩散模型

、二维泄漏分析

、管道埋深对燃气扩散的影响

、土壤孔隙度对燃气扩散的影响

、燃气泄漏量的计算

等方面，针对小孔泄漏条件下不同地表边界和泄漏压力对燃气泄漏扩散危害的量化研究相对较少。

为了更好了解小孔泄漏条件下燃气管道泄漏的危害，有必要针对不同地表边界和泄漏压力对城镇中压燃气管道泄漏扩散特性和危害进行研究，为中压燃气管道泄漏扩散范围预测和安全预防提供参考。

2 数值模型的建立

2.1 模型假设

为了简化管道泄漏模型，作出下列假设：模型中涉及的管道周围的土壤为干土，是各向同性的多孔介质，计算时作流体计算域处理，以孔隙度表征土壤的稀松性；泄漏为稳定连续泄漏。

本研究中，对照组用常规护理，试验组用心理护理方法。结果显示，试验组满意程度、心理健康指标汉密尔顿相关指数、维持性血液透析配合程度、心理自我调节能力、维持性血液透析过程不良事件方面相比对照组更有优势，差异有统计学意义（P＜0.05）。

2.2 物理模型

整个土壤和管道计算域的长×宽×高为4.0 m×4.0 m×2.5 m，地表为水平面。管道水平敷设，直径为100 mm，不计管道壁厚；管道横截面中心距地表面1.5 m，距竖向土壤边界均为2 m；管道泄漏口位于管道沿线中心位置，在水平面上的圆形投影直径为6.4 mm，泄漏口几何中心在管顶处。具体管道泄漏物理模型(软件截图)见图1。

管道及周围土壤(部分边界)的网格划分情况见图2，流体进出口和泄漏口网格划分情况见图3。其中，本文所涉及的计算网格为六面体网格，并对管道泄漏口附近的区域进行了局部加密处理。

2.3 数学模型以及方程求解

本文采用有限体积法求解可压流场的N-S方程。湍流方程采用了标准

-

模型，求解计算方法采用SIMPLE算法。参照文献[9]建立流体运动三大方程。物质传输扩散守恒方程中的组分运移方程参照文献[10]。

2.4 数值模拟参数设置

流体进口为压力进口，出口为压力出口。管道泄漏口为interior边界，管道壁面设置为wall边界，除地表边界外的其他土壤边界全部设置为压力出口；水泥地表边界为wall边界；土壤地表边界为压力出口；流体温度取300 K，重力加速度取9.8 m/s

；平均土颗粒直径为0.2 mm，土壤孔隙度取0.35，根据Ergun公式

计算土壤黏性阻力系数为3.695×10

m

。燃气为纯甲烷。环境温度为300 K，环境压力为101.325 kPa。

2.5 网格无关性验证

着重在推进绿色发展、提高资源利用率上下功夫。依托开磷具有的资源开采与深加工一体化优势发展循环经济，形成以资源综合利用为主体的循环经济模式，抓好矿产资源高效集约利用和“三废”的资源化、再利用，特别是在磷石膏的综合利用上，在扩大充填应用范围的基础上，积极培育市场需求，加大磷石膏粉、砖、砌块、复合板等新型绿色建材生产，加大与外部科研院所合作力度，不断扩大磷石膏综合利用途径和水平，推动企业绿色发展。

3 泄漏模拟结果与分析

监测点P1和P2是完全关于

=2.0 m对称的监测点，但图5中P1、P2监测曲线并不重合。主要原因是本文考虑了管道内的流体流动，流体从管道泄漏口流出时具有管道流体流动方向的矢量速度分量，会导致监测点P2的甲烷体积分数稍大于P1。由于水泥地表条件下甲烷会聚集，体积分数较大，图6中监测点P1、P2体积分数差异不明显。

由图7、8对比可知，两个交线的数据分布情况基本相同。本文涉及压力范围内两条监测线的体积分数随压力增大而增大，但变化较小。水泥地表条件下甲烷体积分数整体高于土壤地表。由于监测线中点位于泄漏口正上方，气体动能和扩散方向集中，监测线中点位置的甲烷体积分数最高且土壤地表与水泥地表差异较小。水泥地表的甲烷无法直接从地表逃逸，监测线体积分数高于土壤地表条件下，由中点向两端的体积分数减小速率明显小于土壤地表。

管道泄漏场景的监测点设置在地表下表面，即监测点

坐标为2.5 m，水平面监测点分布情况(软件截图)见图4。监测线为

=2.0 m平面与

=2.0 m平面交线及

=2.0 m平面与

=2.0 m平面交线。

基于上文模型和数值模拟参数设置情况，对48×10

、101×10

、203×10

数量网格下甲烷扩散2.0 h、土壤地表边界下

=2.0 m平面的甲烷体积分数为5.0%时最大扩散半径进行计算。101×10

与48×10

、203×10

网格之间的最大扩散半径偏差分别为4.8%、1.7%，视为满足计算精度要求。因此，本文网格数量均采用101×10

网格数量进行求解计算。

① 不同地表监测点甲烷体积分数变化

基于上述设置条件，计算了不同管道运行压力等级、不同地表边界条件下监测点体积分数随时间的变化情况。土壤地表监测点甲烷体积分数变化见图5，水泥地表监测点甲烷体积分数变化见图6，监测点P1、P3分别与监测点P2、P4计算结果关于

=2.0 m平面对称。本文取监测点P1和P2进行分析。

基于上文参数设置，计算不同地表下扩散2.0 h的爆炸下限(体积分数5%)最大爆炸半径见图9。随着管道上方

轴坐标增加，土壤地表的最大爆炸半径逐渐减小，水泥地表的最大爆炸半径逐渐增大，线性相关度强，随泄漏压力的变化幅度较土壤地表小。水泥地表下在

=2.0 m平面处最大爆炸半径就达到物理模型边界。

由图5、6可以看出，由于甲烷还未充分扩散到地表，土壤地表条件扩散15 min和水泥地表扩散22 min期间监测点甲烷体积分数相对较小。图5中，15 min之后，甲烷从地表逃逸，土壤地表扩散2.0 h的甲烷体积分数整体较小，不超过0.9%。图6中，甲烷在水泥地表下表面聚集，2.0 h的体积分数可达72%。

图5、6中，由于甲烷逐渐扩散到地表，监测点体积分数开始明显增大，随着体积分数不断增大，增长速率逐渐减小，体积分数逐渐趋于平衡。主要原因是地表体积分数变化与气体动能、土壤内的甲烷体积分数差及边界处甲烷逃逸能力相关。其中，水泥地表条件下，动能受泄漏口压力、重力、浮力以及土壤阻力影响，分布相对稳定，对边界甲烷体积分数变化速率影响小；随着地表边界附近的甲烷体积分数不断增加，甲烷体积分数差逐渐减小，气体扩散动力和体积分数增长速率会减小。土壤地表条件下，随着边界体积分数增加，甲烷在边界的逃逸速度也会增加，会减小边界甲烷体积分数的增长速度。

本文管道泄漏场景设置了土壤地表、水泥地表两种地表条件。管道压力取0.4 MPa、0.3 MPa以及0.2 MPa。土壤和水泥地表条件下的最大泄漏时间均为2.0 h，模拟时间步长为0.1 s。

② 平面交线甲烷体积分数分布

③ 不同地表最大爆炸半径

（3）严格目标公开。通过加大预算绩效目标公开力度，强化各部门“花钱问效”的责任意识，督促各部门提高预算绩效目标编制的科学性、规范性。

基于上述模型设置参数，计算

=2.0 m平面与

=2.0 m平面交线在2.0 h的甲烷体积分数分布见图7，

=2.0 m平面与

=2.0 m平面交线在2.0 h的甲烷体积分数分布见图8。

上述研究主要针对拓扑结构变化缓慢的社交网络,而且是单节点对间的链路预测.本文针对拓扑变化频繁的机会网络,采用模式分类方法,基于动态网络的切片处理,以切片后的快照描绘网络结构信息,借助CNN在特征提取上的优势,来捕获网络结构的有效特征,并据此推断链路的演化模式,进行多节点间的链路预测.

④ 不同地表不同时间甲烷体积分数分布

基于上文参数设置，计算不同泄漏压力、不同地表条件在泄漏初期(5 min)、泄漏发展期(0.5 h)、泄漏中期(1.0 h)以及泄漏末期(2.0 h)的甲烷体积分数，云图见图10～13。

由图10～13可以看出，压力对同一地表条件的扩散形态影响较小，泄漏初期的甲烷体积分数分布形态没有明显差异，受地表边界条件影响小；泄漏发展期，水泥地表条件下的甲烷扩散速度更快；相同条件下，泄漏中期和泄漏末期形态较类似，在中期，扩散形态逐渐趋于稳定。中期和末期部分水泥地表的最大爆炸半径已经超出物理模型的边界，甲烷扩散明显快于土壤地表。

这个问题正中我下怀。“暖耳”又称“耳衣”“耳包”“护耳”等，类似于今天戴在耳朵上保暖的耳套。暖耳多由保暖的动物皮毛制作，但到了清朝时期，女子们更偏爱刺绣制作的轻便小巧的暖耳。刺绣暖耳以桃心形为主，外层通常绣有花卉、虫鸟等吉祥图案。

4 结论

① 小孔泄漏扩散一段时间后，土壤地表和水泥地表条件下，地表监测点体积分数增长速度呈逐渐减小趋势且趋于平衡，土壤地表扩散2.0 h的甲烷体积分数远小于水泥地表条件。

②

=2.0 m平面与

=2.0 m平面交线及

=2.0 m平面与

=2.0 m平面交线在2.0 h的甲烷体积分数分布基本相同，均随压力增大而增大。水泥地表条件下甲烷体积分数整体高于土壤地表。交线中点位置的甲烷体积分数最高且土壤地表与水泥地表差异较小。

设计意图 引导学生根据特殊事例归纳一般规律，经历从一般到特殊的认识过程.同时让学生体验合理的猜想是数学学习中研究问题的方法之一.

③ 随着管道上方

轴坐标增加，土壤地表的最大爆炸半径逐渐减小，水泥地表的最大爆炸半径逐渐增大，水泥地表随泄漏压力的变化幅度较土壤地表小。

高校投入、产出指标的权重确定是整个评价过程的关键环节，其赋值的大小，直接决定了评估结果，目前确定权重的方法有客观赋权法和主观赋权法，两种方法各有利弊。前者依据指标间的相互关系或各指标的变异系数来确定，科学性较强。该方法的缺点是数据难以获取，容易造成评价结果失真。而后者主要采取主观定性方法，聘请价值管理方面的专家和高校内部的学者根据经验进行主观判断赋权。该方法虽然简单实用，但也因评价者的知识经验所限和价值取向上的差异性，使评价结果有主观色彩。因此，在实际操作中，需要兼顾两种方法，尽量采取相应的措施提高赋权方法的科学性。

④ 压力对燃气管道泄漏扩散形态影响较小；甲烷泄漏初期受地表条件影响小，在泄漏发展期和中期，水泥地表条件下土壤内甲烷扩散速度和范围更大。

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