下载文档原格式
天然气管道泄漏扩散规律的数值模拟刘寰宇;林杭;李晋;卢江涛;程猛猛【摘要】Inrecent years, due to the natural gas pipeline leak and cause a risk of fire, explosion, the safety of people, property and the environment, such as enterprise caused great threat, therefore, through the analysis of pipeline leakage model to develop appropriate measures to protect the security of natural gas pipeline system and reliable operation is very meaningful. In this paper, FLUENT for natural gas pipeline leak was simulated diffusion law, has been the proliferation of rules and distribution of methaneconcentration, provide a basis for predicting the scope of effective diffusion of gas leaks.%近年来，由于天然气管道泄漏而导致火灾、爆炸的风险，对群众的安全、企业财产和环境等造成极大的威胁，因此，通过分析管道的泄漏模型，制定相应的对策保障天然气管道系统的安全、可靠的运行是非常有意义的。
本文利用FLUENT对天然气管道泄漏扩散规律迚行了数值模拟，得到了甲烷的扩散规律及浓度分布规律，为有效预测天然气泄漏扩散的影响范围提供了依据。
fluent模拟设置一、模型1.能量方程：打开能量方程2、湍流模型：选用realizablek-ε湍流模型和标准壁面函数standardwallfn3.辐射模型，采用离散坐标辐射（do）模型模拟炉内辐射传热，每两次迭代计算更新一次辐射场，加快计算收敛速度4、组分输运+涡耗散化学反应模型（ed），对于碳氢化合物燃烧系统，燃烧反应可能包含有上百个中间反应，其计算工作量大，不便于工程应用。
为满足工程问题的需要，目前常采用两步反应系统和四步反应系统。
本文中研究的是甲烷燃烧，选用edm模拟由燃烧引起的传热传质，考虑两步反应，即：2ch4+3o2=2co+4h2o2co+o2=2co2根据不可压缩理想气体的性质确定气体密度，选择分段线性比压热容，而不考虑分子扩散和气体内部热传导的影响。
二、混合物及其构成组分属性在化学反应模拟过程中，需要定义混合物的属性，也需要对其构成成分的属性进行定义。
重要的是在构成成分的属性设置前对混合物的属性进行定义，因为组分特性的输入可能取决于用户所使用的混合物数学定义方式。
对于属性输入，一般的顺序是先定义混合物组分、化学反应，并定义混合物的物理属性，然后定义混合物中组分的物理属性。
1、定义混合物中的组分2、定义化学反应3.确定混合物的物理性质4、定义混合物中组分的物理属性三、边界条件在仿真中需要设置每个组分的入口质量分数，另外在出口出现回流情况下，对于压力出口用户应该设置组分质量分数。
1.内环/外环火孔的出口是气体和一次空气混合物的入口。
采用速度入口边界条件。
重庆燃气低热值36.75mj/m3，理论需气量9.537m3/m3，实测燃气流量0.42m3/h，实测一次空气系数0.674，圆形火孔总面积453mm2，火孔出口流速1.913m/s，速度方向与边界垂直。
混合物温度为288k，混合物的发射率，以及每种成分的体积分数：甲烷13.06%，氧气18.18%，其余为氮气。
2、流体域顶部边界为烟气出口，采用压力出口边界条件，压力为大气压力即表压为零，烟气温度，发射率，烟气组分3.二次空气入口为速度入口，速度为0.1m/s，温度为288k，发射率为，各成分的体积分数氧气为0.21，氮气为0.794、锅底和锅周采用定温边界条件，根据国标测试要求，由水初温19.5℃，水终温50.5℃，取平均值为308k。
Fluent大作业编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（Fluent大作业）的内容能够给您的工作和学习带来便利。
同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。
本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为Fluent大作业的全部内容。
Fluent大作业——圆筒燃烧器内甲烷燃烧的数值模拟引言：根据公安部消防局的统计数据,2010年因火灾死亡的人数为1205人，其中多数人是因为火灾产生的有毒有害高温气体而死，因此研究火灾中有毒有害气体的分布有着重要意义。
下面以一个简单的模型，对一个圆筒燃烧器内的甲烷和空气的混合物的流动与燃烧过程进行研究，模拟其中的温度场、有害气体的分布情况。
问题描述:长为2m、直径为0。
45m的圆筒燃烧器结构如下图所示，燃烧器壁上嵌有三块厚为0.005m，高0。
05m的薄板，以利于甲烷与空气的混合。
燃烧火焰为湍流扩散火焰.在燃烧器中心有一个直径为0.01m、长0。
01m、壁厚为0。
002m的小喷嘴，甲烷以60m/s的速度从小喷嘴注入燃烧器。
空气从喷嘴周围以0.5m/s的速度进入燃烧器。
总当量比约为0。
76（甲烷含量超过空气约28％)，甲烷气体在燃烧器中高速流动,并与低速流动的空气混合，基于甲烷喷口直径的雷诺数约为5。
7X103。
图 1 燃烧器结构使用通用的finite—rate化学模型分析甲烷—空气混合与燃烧过程。
同时假定燃料完全燃烧并转换为CO2和H2O。
反应方程为CH4+2O2CO2+2H2O反应过程是通过化学计量系数、形成焓和控制化学反应率的相应参数来定义的。
计算结果：图错误!未定义书签。
采用恒定的Cp值(1000J/kg·K）计算的温度分布图错误!未定义书签。
采用mixing—law计算的温度分布从上面两图可以看出，当Cp值恒定为1000J/kg·K时，最高温度超过2900K.火焰温度的计算结果偏高，可以通过一个更真实的依赖于温度和组分热容模型来修正。
高压天然气管道泄漏扩散 CFD 数值模拟周伟国;刘东京;滕卯寅【摘要】为了降低天然气管道泄漏对环境造成的危害，采用FLUENT软件对高压天然气管道泄漏后甲烷扩散特性进行数值模拟，分别模拟了稳态及非稳态时甲烷浓度分布及速度分布情况；探究不同管道压力和外界风速对天然气泄漏扩散过程的影响，并通过速度分布图和甲烷浓度分布图分析天然气的扩散特性和区域。
结果表明：管内压力越大，甲烷射流出口速度越大，甲烷扩散区域越大；风速越大，甲烷的偏转角度越大，在空气中扩散得越快。
%With the objective of reducing the damages of pipeline gas leakage to the environment , numerical simulation on gas diffusion feature of high-pressure piping was performed with FLUENT .The methane concentration and velocity profile at the steady and unsteady state were simulated , respectively .The influences of tubing pressure and wind velocity on gas leakage were investiga -ted,and the gas diffusion feature and area of nature gas were analyzed via the velocity profiles and methane concentration profiles . The results show that the bigger the tubing pressure is , the larger the outlet velocity of jet flowis ,and the larger the diffusion area is.The bigger the wind velocity is, the larger the deflection angle is , the faster the gas diffusion rate is .【期刊名称】《管道技术与设备》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】4页(P5-8)【关键词】高压管道;天然气;管道泄漏;气体扩散;CFD【作者】周伟国;刘东京;滕卯寅【作者单位】同济大学，上海 200092;同济大学，上海 200092;同济大学，上海200092【正文语种】中文【中图分类】TE973近年来，随着天然气开发和利用的飞速发展，国内己建成天然气输送管道约2万km。
基于fluent 的甲烷燃烧二维模拟分析陈飞 1434422(同济大学汽车学院，上海)摘要: 目前，由于环境污染和排放法规的日趋严格，降低排放已经成为了汽车工业的重点，而寻求清洁的替代燃料是一种较为有效的解决办法。
甲烷属于可再生气体燃料，可以实现与空气的良好预混，利用fluent 进行甲烷燃烧的数值模拟进行仿真分析。
Fluent 提供了涡耗散模型用于求解燃料快速燃烧，整体反应速率由湍流控制的单步或双步总包燃烧反应。
根据模拟结果分析甲烷作为车用替代燃料的可行性。
关键词: 替代燃料；燃烧的数值模拟；甲烷燃烧；fluent 仿真1. 引言燃烧是燃料与氧化剂之间的发光发热的化学反应，根据反应前各组分的分布，可以分为预混燃烧，扩散燃烧和部分预混燃烧。
其中预混燃烧较多的应用于汽车工业的车用汽油发动机。
目前，由于环境污染和排放法规的日趋严格，降低排放已经成为了汽车工业的重点，而寻求清洁的替代燃料是一种较为有效的解决办法。
1.1. 燃烧的数值模拟燃烧的数值模拟是通过CFD 软件实现对实际燃烧过程的仿真模拟，求解流畅流动特性及其混合特性，温度场、组分浓度场以及颗粒和污染物排放等，从而提供实际燃烧过程的参考，对于产品研发，科学研究都有很大的意义。
燃烧的数值模型主要运用模拟软件根据燃烧模型进行仿真，目前可用于燃烧数值模拟的软件有FLUENT,STAR-CD,CHEMKIN,KIVA 等。
燃烧模型主要根据不同燃烧的特点设置求解参数，包括如下内容：稀疏相模型、输运控制方程、燃烧模型、辐射换热模型、污染物模型。
Fluent 提供了涡耗散模型用于求解燃料快速燃烧，整体反应速率由湍流控制的单步或双步总包燃烧反应。
其中对于反应r 中的物质i 的产生速率r i R ,由下面两个式子给出：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=R w r R R R i w r i r i M v Y k A M v R ,',,',,min ερ （1.1） ∑∑=N j jw nr j p p i w r i r i M v Y k AB M v R ,,,',,ερ （1.2） 式中，p Y ——任何一种产物的质量组分；R Y ——某种产物的质量组分；A——经验常数4.0；B——经验常数0.5。
前言为了使学生尽快熟悉计算流体软件FLUENT以及更好的掌握计算流体力学的计算模型，本书编制了几个简单的模型，包括了组分燃烧、管内流动、换热和房间温度场四个方面的内容。
其中概括了二维和三维的模型，描述详细，可根据步骤建模、划分网格和计算以及后处理。
本书不可能面面具到并进行详细讲解，但相信读者通过本书的学习，一定能领会其中的技巧。
目录前言﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍1 燃烧器内甲烷和空气的燃烧﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍3 管内层流流动数值计算﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍ 38 蒸汽喷射器内的传热模拟﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍ 52 组分传输与气体燃烧算例﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍ 75 空调房间温度场的模拟﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍102燃烧器内甲烷和空气的燃烧问题描述这个问题在图1中以图解的形式表示出来。
此几何体包括一个简化的向燃烧腔加料的燃料喷嘴，由于几何结构对称可以仅做出燃烧室几何体的1/4模型。
喷嘴包括两个同心管，其直径分别是4个单位和10个单位，燃烧室的边缘与喷嘴下的壁面融合在一起。
图1：问题图示一、利用GAMBIT建立计算模型启动GAMBIT。
第一步：选择一个解算器选择用于进行CFD计算的求解器。
操作：Solver -> FLUENT5/6第二步：生成两个圆柱体1、生成一个柱体以形成燃烧室操作：GEOMETRY-> VOLUME-> CREATE VOLUMER打开Create Real Cylinder 窗口，如图2所示a) 在柱体的Height 中键入值1.2。
b) 在柱体的Radius 1 中键入值0.4。
Radius 2的文本键入框可留为空白，GAMBIT 将默认设定为Radius 1值相等。
c) 选择Positive Z （默认）作为Axis Location 。
d) 点击Apply 按钮。
2、按照上述步骤以生成一个Height =2，Radius 1 =1并以positive z 为轴的柱体。
Fluent大作业——圆筒燃烧器内甲烷燃烧的数值模拟引言：根据公安部消防局的统计数据，2010年因火灾死亡的人数为1205人，其中多数人是因为火灾产生的有毒有害高温气体而死，因此研究火灾中有毒有害气体的分布有着重要意义。
下面以一个简单的模型，对一个圆筒燃烧器内的甲烷和空气的混合物的流动与燃烧过程进行研究，模拟其中的温度场、有害气体的分布情况。
问题描述：长为2m、直径为0.45m的圆筒燃烧器结构如下图所示，燃烧器壁上嵌有三块厚为0.005m，高0.05m的薄板，以利于甲烷与空气的混合。
燃烧火焰为湍流扩散火焰。
在燃烧器中心有一个直径为0.01m、长0.01m、壁厚为0.002m的小喷嘴，甲烷以60m/s的速度从小喷嘴注入燃烧器。
空气从喷嘴周围以0.5m/s的速度进入燃烧器。
总当量比约为0.76（甲烷含量超过空气约28%），甲烷气体在燃烧器中高速流动，并与低速流动的空气混合，基于甲烷喷口直径的雷诺数约为5.7X103。
图1燃烧器结构使用通用的finite-rate化学模型分析甲烷-空气混合与燃烧过程。
同时假定燃料完全燃烧并转换为CO2和H2O。
反应方程为CH4+2O2→CO2+2H2O反应过程是通过化学计量系数、形成焓和控制化学反应率的相应参数来定义的。
计算结果：图2采用恒定的Cp值（1000J/kg·K）计算的温度分布图3采用mixing-law计算的温度分布从上面两图可以看出，当Cp值恒定为1000J/kg·K时，最高温度超过2900K。
火焰温度的计算结果偏高，可以通过一个更真实的依赖于温度和组分热容模型来修正。
比热对温度和组分的依赖性将对火焰温度的计算结果有着明显的影响。
Mixing-law会得到基于全部组分质量分数加权平均的混合比热。
在Fluent中，还有一个Fluent物性数据库随温度变化的Cp（T）多项式，可以启动组分比热随温度的变化特性。
设置后的计算结果如图2，可以看出最高温度已经降低到大约2200K。
组分传输与气体燃烧
题目：长为2m，直径为0.45m的圆筒形燃烧器结构，燃烧筒壁上嵌有三块厚0.005m，高
0.05m的薄板，以利于甲烷与空气的混合。
燃烧火焰为湍流扩散火焰。
在燃烧器中心有一个直径为0.01m、长0.01m、壁厚为0.002m的小喷嘴，甲烷以60m/s的速度从小喷嘴注入燃烧器。
空气从喷嘴周围以0.5m/s的速度进入燃烧器。
总当量比大约是0.76，甲烷气体在燃烧器中高速流动，并与低速流动的空气混合，基于甲烷喷口直径的雷诺数约为5700。
一：前处理——利用GAMBIT建立计算模型，其基本结构及网格画法如下图
几何结构示意图
燃烧筒网格图
1:启动FLUENT-2d，显示网格如下图
2迭代计算如，:残差图如下
残差监测曲线
3：显示计算结果，速度分布云图如下：
温度分布云图。
计算流体力学作业FLUENT 模拟燃烧问题描述：长为2m、直径为0.45m的圆筒形燃烧器结构如图1所示，燃烧筒壁上嵌有三块厚为0.0005 m，高0.05 m的薄板，以利于甲烷与空气的混合。
燃烧火焰为湍流扩散火焰。
在燃烧器中心有一个直径为0.01 m、长为0.01 m、壁厚为0.002 m的小喷嘴，甲烷以60 m/s的速度从小喷嘴注入燃烧器。
空气从喷嘴周围以0.5 m/s的速度进入燃烧器。
总当量比大约是0.76(甲烷含量超过空气约28%)，甲烷气体在燃烧器中高速流动，并与低速流动的空气混合，基于甲烷喷嘴直径的雷诺数约为5.7×103。
假定燃料完全燃烧并转换为:CH4+2O2→CO2+2H2O反应过程是通过化学计量系数、形成焓和控制化学反应率的相应参数来定义的。
利用FLUENT的finite-rate化学反应模型对一个圆筒形燃烧器内的甲烷和空气的混合物的流动和燃烧过程进行研究。
1、建立物理模型，选择材料属性，定义带化学组分混合与反应的湍流流动边界条件2、使用非耦合求解器求解燃烧问题3、对燃烧组分的比热分别为常量和变量的情况进行计算，并比较其结果4、利用分布云图检查反应流的计算结果5、预测热力型和快速型的NO X含量6、使用场函数计算器进行NO含量计算一、利用GAMBIT建立计算模型第1步启动GAMBIT，建立基本结构分析：圆筒燃烧器是一个轴对称的结构，可简化为二维流动，故只要建立轴对称面上的二维结构就可以了，几何结构如图2所示。
(1)建立新文件夹在F盘根目录下建立一个名为combustion的文件夹。
(2)启动GAMBIT(3)创建对称轴①创建两端点。
A(0,0,0)，B(2,0,0)②将两端点连成线(4)创建小喷嘴及空气进口边界②连接AC、CD、DE、DF、FG。
(5)创建燃烧筒壁面、隔板和出口②将H、I、J、K、L、M、N向Y轴负方向复制，距离为板高度0.05。
③连接GH、HO、OP、PI、IJ、JQ、QR、RK、KL、LS、ST、TM、MN、NB。
导入网格2 定义求解器3 开启能量方程4 操作工况参数operating conditions1操作压力的介绍关于参考压力的设定，首先需了解有关压力的一些定义。
ANSYS FLUENT中有以下几个压力，即Static Pressure（静压）、Dynamic Pressure（动压）与Total Pressure（总压）；Absolute Pressure（绝对压力）、Relative Pressure（参考压力）与Operating Pressure（操作压力）。
这些压力间的关系为，Total Pressure（总压）=Static Pressure（静压）+Dynamic Pressure （动压）；Absolute Pressure（绝对压力）=Operating Pressure（操作压力）+Gauge Pressure （表压）。
其中，静压、动压和总压是流体力学中关于压力的概念。
静压是测量到的压力，动压是有关速度动能的压力，是流动速度能量的体现。
而绝对压力、操作压力和表压是FLUENT引入的压力参考量，在ANSYS FLUENT中，所有设定的压力都默认为表压。
这是考虑到计算精度的问题。
2操作压力的设定设定操作压力时需要注意的事项如下：●对于不可压缩理想气体的流动，操作压力的设定直接影响流体密度的计算，因为对于理想气体而言，流动的密度由理想气体方程获得，理想气体方程中的压力为操作压力。
●对于低马赫数的可压缩流动而言，相比绝对静压，总压降是很小的，因此其计算精度很容易受到数值截断误差的影响。
需要采取措施来避免此误差的形成，ANSYS FLUENT通过采用表压（由绝对压力减去操作压力）的形式来避免截断误差的形成，操作压力一般等于流场中的平均总压。
●对于高马赫数可压缩流动的求解而言，因为此时的压力比低马赫可压缩流动的大得多，所以求解过程中的截断误差的影响不大，可以不设定表压。
由于ANSYS FLUENT中所有需输入的压力都为表压，因此此时可以将操作压力设定为0（这样可以最小化由于压力脉动而引起的误差），使表压与绝对压力相等。
