天然气管道泄漏扩散及爆炸数值模拟研究

【摘要】： 随着天然气管道工业的发展,天然气用户越来越多。天然气在集输过程中,由于管道系统连接件之间的密封不严、腐蚀穿孔、人为管理不善等因素会引起天然气泄漏。天然气泄漏后扩散到大气中,与空气混合形成可燃预混气体,遇见点火源,可能会引发火灾或者爆炸;即使不发生着火爆炸,泄漏出的天然气及其伴生物滞留在大气中,在未来较长时期对人类健康和生态环境会造成不良影响。所以,天然气泄漏不仅会导致能源物料流失,造成巨大的经济损失,还会引起火灾、爆炸、中毒、伤亡等恶性事故,严重威胁着人民生命财产的安全。因此,进行天然气管道泄漏扩散及爆炸数值模拟研究,对管道输送安全运营和保障人生财产安全意义重大。 本文基于流体力学、热力学、爆炸力学、计算数学和计算机技术,对天然气管道发生泄漏后的扩散及爆炸情况进行方法研究和规律分析。首先,分析了国内外在气体泄漏、扩散和爆炸方面的研究现状,对天然气管道泄漏量、紊动射流理论和爆炸发生、发展机理进行分析,推导了气体流动的基本控制方程;其次,根据流体力学和热力学基本理论,建立了天然气泄漏后在大气中扩散数学模型,应用有限元方法对模型的偏微分方程组进行离散求解;然后,分析了天然气爆炸相关影响因素,根据流体力学、热力学和爆炸理论,建立天然气管道爆炸标准k-ε湍流模型,并用RNG法修正k-ε湍流模型,确定相应的边界条件,应用有限体积法求解湍流爆炸模型;最后,基于上述模型,采用计算流体力学仿真软件FLUENT对天然气泄漏扩散和着火爆炸进行模拟计算。 根据前面的研究结果,分别分析了天然气泄漏后的扩散和着火爆炸的发展过程。针对泄漏扩散,分析了高速喷射和低速泄漏两种情况;对高速喷射,分析了无因素影响的自然喷射和不同风速、输送压力、障碍物影响下的扩散情况;对低速泄漏,分析了无因素影响的自然扩散和风速、泄漏速度、气温、障碍物、泄漏位置、地形、重力影响下的扩散情况。针对着火爆炸,分析了风速影响下的高速喷射着火情况。 通过分析表明,天然气泄漏形成紊动射流,浓度和速度降低后在大气中膨胀扩散;各个因素都会增大天然气泄漏扩散后的危害性,其中的泄漏速度(泄漏量)、风速、障碍物、地形对天然气的扩散影响较大;天然气高速喷射时遇到火源点燃,由于速度太快,未发生爆炸,而是发生了着火燃烧;从扩散和爆炸的影响因素着手,通过控制或者人为改变一些因素降低其危险性,从而有效防止天然气泄漏后引起中毒、着火爆炸事故的发生。 本文的天然气泄漏扩散及爆炸数值模拟研究结果与扩散、着火爆炸理论相符,从而验证了本文理论分析的正确性,所提出的研究方法为天然气泄漏扩散和爆炸理论研究提供了一种分析思路,分析所得到的规律对天然气管道的安全运营和维护有一定的指导意义和参考价值。 【关键词】：天然气 管道 泄漏 扩散 爆炸 数值模拟
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TE973.6
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-8
• 1 绪论8-14
• 1.1 课题研究的背景和意义8-9
• 1.2 国内外研究现状分析9-12
• 1.2.1 气体泄漏扩散研究现状9-11
• 1.2.2 气体爆炸过程研究现状11-12
• 1.3 本文研究内容和特点12-14
• 1.3.1 本文研究内容12-13
• 1.3.2 本文特点13-14
• 2 天然气泄漏扩散和爆炸理论基础14-27
• 2.1 天然气管道的泄漏量14-15
• 2.2 紊动射流理论15-17
• 2.3 爆炸发生、发展机理17-19
• 2.4 气体流动基本控制方程19-27
• 2.4.1 连续方程20-21
• 2.4.2 运动方程21-23
• 2.4.3 能量方程23-24
• 2.4.4 本构方程24-26
• 2.4.5 状态方程26-27
• 3 天然气泄漏扩散模拟研究27-43
• 3.1 天然气泄漏扩散的影响因素27-32
• 3.1.1 气象条件对扩散的影响27-29
• 3.1.1.1 风速的影响27-28
• 3.1.1.2 大气稳定度的影响28-29
• 3.1.1.3 温度的影响29
• 3.1.2 重力对天然气泄漏的影响29-31
• 3.1.3 地形对扩散的影响31
• 3.1.4 泄漏源位置的影响31-32
• 3.2 天然气泄漏扩散模型的建立32-36
• 3.2.1 空气流动方程32
• 3.2.2 对流扩散方程32-35
• 3.2.3 天然气泄漏扩散方程组35
• 3.2.4 初始条件和边界条件35-36
• 3.2.4.1 初始条件35
• 3.2.4.2 边界条件35-36
• 3.3 天然气泄漏扩散模型求解36-43
• 3.3.1 有限元方法概述36-38
• 3.3.2 方程组求解38-43
• 3.3.2.1 基本方程求解38-41
• 3.3.2.2 对流扩散方程求解41-43
• 4 天然气管道爆炸模拟研究43-65
• 4.1 天然气爆炸极限43-47
• 4.1.1 可燃气体的爆炸浓度下限及上限43-44
• 4.1.2 天然气的爆炸极限计算44
• 4.1.3 天然气爆炸极限影响因素分析44-47
• 4.2 天然气爆炸影响因素分析47
• 4.2.1 大气影响47
• 4.2.2 地面影响47
• 4.3 天然气管道爆炸模型分析47-58
• 4.3.1 湍流模型概述47-50
• 4.3.1.1 雷诺平均模型48-49
• 4.3.1.2 大涡模拟(LES)模型49
• 4.3.1.3 直接数值模拟(DNS)模型49-50
• 4.3.2 天然气管道爆炸湍流模型的建立50-58
• 4.3.2.1 标准k-ε湍流模型50-53
• 4.3.2.2 RNG k-ε湍流模型修正53-57
• 4.3.2.3 初始条件和边界条件57-58
• 4.4 天然气管道爆炸模型数值计算方法分析58-65
• 4.4.1 有限体积法58-59
• 4.4.2 控制方程的求解59-65
• 4.4.2.1 时均N-S方程求解60-63
• 4.4.2.2 组分方程、k方程和ε方程的求解63-65
• 5 FLUENT软件计算结果及分析65-85
• 5.1 FLUENT软件简介65-66
• 5.2 天然气泄漏扩散FLUENT软件模拟66-70
• 5.2.1 物理模型的抽象66-67
• 5.2.2 模拟模型的实际意义67-68
• 5.2.3 网格的生成68-69
• 5.2.4 边界条件和参数设置69-70
• 5.3 天然气泄漏扩散计算结果70-83
• 5.3.1 高速泄漏的天然气喷射扩散70-74
• 5.3.1.1 自然喷射扩散70-71
• 5.3.1.2 不同风速下的喷射扩散71-72
• 5.3.1.3 不同输送压力下的喷射扩散72-73
• 5.3.1.4 障碍物下的喷射扩散73-74
• 5.3.1.5 结果分析74
• 5.3.2 低速泄漏下的天然气扩散74-82
• 5.3.2.1 不同泄漏量(泄漏速度)下的扩散情况75-76
• 5.3.2.2 不同风速下的扩散76
• 5.3.2.3 不同气温下的扩散76-77
• 5.3.2.4 障碍物影响下的扩散77-78
• 5.3.2.5 不同泄漏位置和地形的扩散78-80
• 5.3.2.6 重力和浮力影响下的扩散80-81
• 5.3.2.7 结果分析81-82
• 5.3.3 天然气泄漏扩散计算结果综合分析82-83
• 5.4 天然气泄漏后着火爆炸FLUENT软件模拟83-85
• 5.4.1 喷射着火爆炸模拟83-84
• 5.4.2 结果分析84-85
• 6 结论和建议85-87
• 6.1 结论85-86
• 6.2 建议86-87
• 致谢87-88
• 参考文献88-92

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