基于查表插值算法的高压CO2管道泄漏瞬态特性数值模拟

为准确高效地模拟高压CO₂管道泄漏的瞬态特性,基于Fluent仿真平台,利用用户自定义真实气体模型(User Defined Real Gas Model, UDRGM)和用户自定义函数(User Defined Function, UDF),结合查表法和双线性插值法建立CO₂的真实气体模型,并将压力驱动的Lee模型通过用户自定义函数嵌入Fluent求解器来模拟CO₂的非平衡相变过程,建立了高压CO₂管道泄漏的非平衡相变数值模型。通过与Botros等的试验数据进行对比分析,验证了该模型的准确性。在此基础上,对比了上述模拟方法与编译S-W(Span-Wagner)状态方程模拟方法的精度和效率,最后使用本模型研究了不同初始压力对高压CO₂管道泄漏瞬态特性的影响。结果表明：两种模拟方法精度接近,最大相差为7.37%,但提出的模拟方法效率明显优于编译S-W状态方程的模拟方法,计算时间相较缩短约86.9%;初始压力为11.27 MPa的最大总出口质量流量比4.36 MPa的大7.24 k...     

天然气管道非稳态泄漏扩散的数值模拟

针对长输天然气架空管道泄漏问题,综合考虑风速随海拔变化的边界条件、管道管形及泄漏方向等因素,建立非稳态泄漏模型,对不同管道泄漏压力和不同天然气浓度边界的天然气非稳态泄漏扩散进行了数值模拟。结果表明:在天然气向下泄漏的工况下,天然气气团主要在地面积聚,呈无规则的扩散;天然气管道泄漏压力与气体泄漏扩散速度成正比,与天然气浓度边界达到稳定所需时间成反比:不同泄漏压力下天然气扩散稳定后的扩散距离及泄漏影响面积大致相同;天然气浓度边界越小,达到稳定所需时间越长。     

高压管道天然气泄漏扩散过程的数值模拟

采用CFD模型的方法对高压管道内的天然气泄漏和扩散过程进行了数值模拟。其结果表明,从高压管道泄出的天然气在大气中主要表现为高速射流的泄漏过程和随后的扩散过程。在泄漏过程中,天然气在泄漏口附近为欠膨胀射流,整个泄漏过程具有一定的高度;在扩散过程中,天然气在浮力作用下以向上扩散的形式发展。研究了不同环境风速对扩散过程的影响,较大的风速可以使天然气向下风方向更远的距离扩散,从而增大了天然气爆炸危险浓度的范围。研究结果可     

城市燃气管道泄漏爆炸事故三维风险数值模拟

城市燃气管道在发生泄漏导致火灾爆炸事故时,在空间某点形成的风险,不仅与泄漏量、泄漏时间有关,还与空间有无障碍物、泄漏环境等因素有关。基于物理场经典的场理论,定义城市燃气管道泄漏爆炸事故的风险场,推导出多个危险源在空间某点形成的风险强度公式。利用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件模拟有无障碍物时爆炸事故形成的风险在空间传播规律。结果表明,障碍物对空气超压峰值的影响具有距离效应。在障碍物近区,空气冲击波经反射叠加作用造成超压峰值急剧升高;在障碍物远区,空气冲击波经障碍物反射后由于随距离衰减过快,对超压峰值影响微弱,甚至没有影响。同时对有障碍物存在时进行爆炸破坏效应模拟,得到爆炸破坏效应的5个分区,界定了爆炸破坏对人身伤害程度范围。首次提出了城市燃气管道泄漏爆炸事故风险场的概念,并运用风险场理论研究了空间某点多个危险源同时存在时的风险传播问题。     

超临界CO2埋地管道泄漏土壤形貌及温度研究

为探究CO2埋地管道泄漏对土壤区热力特性的影响,依托DN250、长260 m的工业级试验管道,搭建了 DN100规格埋地管道泄漏试验装置,通过设置4个不同孔径和开孔方向的泄漏孔,对超临界CO2埋地管道泄漏时的土壤形貌及土壤区温度变化情况进行了分析.结果表明:土壤区会形成冻土球,由外向内分为冻土层和干冰球两部分;干冰球内部存在冲击空腔,其外表面布满凹坑;3 mm孔径泄漏生成干冰球体积是1 mm孔径泄漏的5.5倍;水平和顶部泄漏试验生成干冰球体积接近,约为底部泄漏的1.9倍;总结了干冰球增长过程,干冰球高度与时间满足正弦函数和指数函数关系;3 mm泄漏土壤区温降起始时刻比1 mm泄漏早,前者温降速度是后者的50倍.     

建筑物内非均匀预混天然气泄漏爆炸过程数值模拟

为了应对建筑物内天然气泄漏爆炸给城市公共安全带来的严重威胁,以某天然气爆炸事故为例,借助Flacs软件,研究了天然气的泄漏规律和非均匀预混天然气的爆炸规律。结果表明,在天然气累计泄漏量相同的条件下,当泄漏速率由0.001 kg/s增长至0.09 kg/s时,厨房顶灯处的天然气体积分数由21%升高至39%,增加了18个百分点,而主卧、次卧顶灯处的天然气体积分数分别由18%、16%降至12%、7%,分别降低了6个百分点、9个百分点。在非均匀预混条件下,门窗泄爆压力从30 kPa降至0时,室内超压峰值下降了66%,而在均匀预混条件下,室内超压峰值的下降率为12%。研究结果对于预防类似事故发生和助力爆炸事故调查均具有指导意义。     

城市天然气管道泄漏数值模拟

针对城市天然气管道和城市周围环境的特点,进行了城市管道天然气泄漏事故动态数值模拟,得到了天然气泄漏5,10,15,20 s时甲烷浓度分布图和安全区域图,结果显示城市天然气管道泄漏的规律不同于在平坦地势的泄漏规律,模拟结果可以为城市管道设计和事故求援提供指导依据。     

架空及埋地天然气管道泄漏扩散数值研究

天然气在管道运输过程中,由于含硫等腐蚀性气体对管道内壁的腐蚀作用,在管内其他压力的作用下,会引起穿孔泄漏。泄漏后的天然气扩散后,可能会引发火灾、中毒或爆炸。因此,进行天然气管道泄漏扩散及数值模拟研究,对管道输送安全运营和保障人生财产安全意义重大。该文利用CFD软件对架空及埋地含硫天然气管道穿孔泄漏后的甲烷、硫化氢气体的扩散进行了数值模拟。结果表明,受土壤毛孔阻力的影响,埋地天然气管道泄漏爆炸范围比架空天然气管道泄漏要小,但其在地面的影响时间长,硫化氢的中毒范围比架空要低30m左右。为天然气的安全输送及环境保护提供了理论依据。     

大气土壤耦合的埋地燃气管道泄漏扩散数值分析

为了研究埋地燃气管道泄漏燃气在非稳态泄漏条件下的扩散行为,基于燃气管道非稳态泄漏大孔模型,应用CFD分别求解土壤和大气扩散方程,通过丙烷地面扩散通量耦合了土壤和大气环境,进行了泄漏扩散的数值模拟,所得模拟计算结果与地上泄漏扩散数值模拟结果进行了对比分析。研究结果表明:耦合模拟条件下,风速仍是影响丙烷扩散距离和高度的主要因素;温度和相对湿度对丙烷扩散有相对较小的影响;与埋地泄漏相比,不同条件下地上泄漏的扩散距离和扩散高度均有误差,水平扩散距离误差普遍较大,扩散高度个别情况下误差较大;地上泄漏条件下的模拟结果数值偏大,对事故的预测和评估准确性会产生显著影响。     

非金属管道微小泄漏动力学数值模拟和试验对比

为了探索非金属输送管道泄漏规律,从数值模拟和试验两个角度,对液体PE管道发生泄漏前后管道内流体与泄漏口的流动状态进行了对比分析,为判定管道泄漏提供了依据。运用FLUENT软件针对PE液体管道泄漏,在不同孔径、不同压力下,构建管道泄漏模型分别进行仿真,分析不同泄漏情景下压力梯度的分布规律。同时在近似相同条件下进行PE管道两点泄漏模拟试验。结果显示:数值模拟与试验结果基本一致,泄漏孔处压力、流速均与管内初始压力成正相关;初始压力和孔径的增大,会导致管内压力下降速度上升,但最终会趋于稳定值。     

Numerical and experimental study on the generation and propagation of negative wave in high-pressure gas pipeline leakage

Negative-wave-based leakage detection and localization technology has been widely used in the pipeline system to diminish leak loss and enhance environmental protection from hazardous leak events. However, the fluid mechanics behind the negative wave method has yet been disclosed. The objective of this paper is to investigate the generation and propagation of negative wave in high-pressure pipeline leakage. A three-dimensional computational fluid dynamic (CFD) study on the negative wave was carried out with large eddy simulation (LES) method. Experimentally validated simulation presented the transient wave generation at the leak onset and the comprehensive wave evolution afterwards. Negative wave was proven to be a kind of rarefaction acoustic waves induced by transient mass loss at the onset of leakage. Diffusion due to the density difference at wave fronts drives the negative wave propagation. Propagation of negative wave can be categorized into three states – semi-spherical wave, wave superposition and plane wave, based on different wave forms. The wave characteristics at different states were elucidated and the attenuation effects were discussed respectively. Finally, a non-dimensional correlation was proposed to predict the negative wave amplitude based on pipeline pressure and leak diameter.     

Simulation study on near-field structure and flow characteristics of high-pressure CO2 released from the pipeline

The accidental release of high-pressure carbon dioxide (CO₂) can cause serious damages to both humans and pipeline equipment. Therefore, it is of great significance to have a deeper understanding about the release characteristics of high-pressure CO₂ for improving the safety level of Carbon Capture and Storage (CCS) technologies. Both industrial-scale and laboratory-scale studies have been carried out to predict the release behaviors. In recent years, computational fluid dynamics (CFD) simulation has become a crucial method to study the instantaneous changes and microscopic details of the fluid behaviors. In this paper, the simulation method was employed to study the near-field structure and flow characteristics of high-pressure CO₂ released from pipelines. The Peng-Robinson Equation of State (EOS) was used to compute the thermodynamic properties of high-pressure CO₂, and SST k-ω model was applied to simulate the structure and physical parameters of the under-expanded jet. In addition, the multi-phase mixture model was introduced to study the phase transition. The non-equilibrium liquid/vapor transition is modeled by introducing ‘source terms’ for mass transfer and latent heat. Compared to the experimental results, the simulation results showed good agreement. Furthermore, the influences of operating conditions, including different stagnation pressure, stagnation temperature, and nozzle size, were analyzed.     

高压天然气非恒定速率泄漏扩散数值模拟研究

为保障天然气工业安全生产与运营,以某天然气储配厂为例,采用等效喷嘴和过程模型,利用FLACS软件对罐区高压天然气非恒定速率泄漏扩散进行数值模拟,考察环境风速及泄漏时间对气体泄漏扩散的影响.结果表明:储存压力为1.05 MPa的天然气储罐发生泄漏会产生欠膨胀射流,泄漏初期具有447.44 kJ的高动能,并在近场扩散起主导...     

深埋管道中泄漏孔对燃气泄漏影响的数值模拟*

为研究泄漏孔的各种因素对深埋土体中燃气管道泄漏的具体影响,采用1个包含燃气管道的三维模型,研究单个泄漏孔的大小、位置、形状对于埋地燃气管道泄漏的影响,并建立大小相等的双泄漏孔的燃气管道,确定双泄漏孔间距对于燃气泄漏扩散的影响。结果表明:泄漏孔越大,燃气在土壤中的扩散速度越快,且泄漏孔的大小对深埋燃气管道泄漏的影响最大;泄漏孔位置的影响次之,顶部与侧壁的泄漏孔扩散速度相差无几,底部泄漏孔的扩散速度远低于前2者;双泄漏孔间距的影响较小,双泄漏孔的距离越小,甲烷的扩散速度越快;泄漏孔形状对于深埋燃气管道泄漏扩散的影响非常小。     

Numerical study on the horizontal stretching effect of ground on high-pressure vapor jets of LNG tank leakage

The objective of this work is to investigate the horizontal stretching effect of ground on high-pressure vapor jet of LNG tank leakage near the ground. A numerical model for leakage jet was developed and several series of leakage scenarios were theoretically analyzed for different heights of the tank orifice, inner pressures and outer temperatures. The results show that the near ground plays an important role in the horizontal transportation of LNG leakage vapor. The corresponding danger distance is surprisingly lengthened because of the horizontal stretching of leakage vapor cloud by the ground nearby, especially for those cases with a lower orifice on tank. It is illustrated that there is an obvious change for the central axis track, gas concentration and velocity of the jet in the far-field during the jet is touching the ground. In addition, the dimensionless analyses on the dependence of gas concentration, velocity and gas concentration on the transportation distance indicated that there were two stages of deflection behaviors of the jet. Finally, the enlarged danger distance by the horizontal stretching for the LNG tank leakage with a low orifice indicated the more dangerous scene of those leakage close on ground. The data and revelation here about the danger area prediction can be an important guide for the emergency management during the LNG tank leakage accidents.     

地面输油管道泄漏流散数值模拟

针对库区地面输油管道发生泄漏后油品流散行为的不确定性,建立了地面油品泄漏流散的三维CFD仿真模型,模拟了不同管道运行压力和不同泄漏孔径下油品在地面上的流散过程,得到了油品扩展速度关于泄漏流量的关系式和流散面积关于管道压力、泄漏孔径、流散时间的偏微分方程组。结果表明:流散面积随管道压力增大呈线性函数增大;流散面积随泄漏孔径呈三次函数变化,先减小后增大;在泄漏的开始阶段,流散面积随泄漏时间的变化随管道压力呈线性增长,在扩展达到稳定时,扩展速度随泄漏流量呈指数函数增大。     

架空天然气管道泄漏事故后果数值模拟研究

针对架空天然气管道泄漏引起的火灾爆炸问题,采用事件树分析泄漏扩散引起的事故后果,并在数值模拟中着重分析了模拟数学模型的选择。在三种不同泄漏孔径、两种不同风速、两种不同运行压力条件下分别应用ALHOA软件对事故后果进行数值模拟,结果表明:泄漏孔径、运行压力与危害影响范围成正比关系;在闪火和蒸气云爆炸中,风速与危害影响范围成反比关系,而风速对射流火灾的热辐射范围基本没有影响。     

海底埋地热油管道泄漏扩散的数值模拟

采用有限容积法建立海底饱和含水淤泥多孔介质的流固耦合传热模型。利用FLUENT软件数值模拟了海底埋地输油管道输送过程中海泥温度场变化及原油在海泥中的分布规律。分析了原油泄漏后在海水中的分布规律。对泄漏后海泥温度场的模拟表明:管道泄漏后,一定时间内管道周围海泥温度波动比较剧烈,由于受海底温度的影响,泄漏前锋原油温降较快,热影响区范围变化逐渐趋于平稳。且随泄漏位置的不同,海泥温度场变化及海泥原油分布差异较大。当原油从海底海泥介质中到达海水底层后,在海水浮力的作用下流向海面,流动过程受到海水流动速度海平面风速等因素的影响。为以温度传输为基础的海底埋地管道泄漏检测提供了一定的理论基础。