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长输天然气管道泄漏扩散的数值模拟

作　者: 桑博
导　师: 兰惠清
学　校: 北京交通大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 天然气管道泄漏扩散模拟
分类号: TE88
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 272次
引　用: 2次
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内容摘要

随着天然气公用事业的发展以及边远气田的开发,长输天然气管道的里程和规模不断扩大,因此事故的风险也在不断增大。长输天然气管道作为远距离输气的最主要的输送方式,承担着连接气田和储气站等设施的重任,具有管径大、压力高、输量大的特点。因此,长输天然气管道一旦发生泄漏事故,不但会影响企业和居民日常生产和生活,造成重大的经济损失,还可能造成爆炸火灾等严重危害人民生命财产的事故。基于上述原因,研究长输天然气管道泄漏扩散的过程对于制定应急抢险方案,减少事故损失具有重要的意义。本文研究的对象是我国“西气东输”工程主干线,通过建立管道在空气中发生泄漏的三维模型,利用计算流体动力学软件,选用Realizable k-epsilon模型对其在空气中泄漏扩散的过程进行仿真模拟。本文主要选取泄漏孔直径、风速、泄漏初速度、泄漏口形状这四种影响因素进行研究,并分析了它们对泄漏过程影响的强弱程度。在风速一定的情况下,分别模拟了泄漏孔径为20mm、50mm、80mm、120mm和200mm情况下的泄漏过程。研究表明,随着孔径的增大,喷射速度随高度衰减的趋势逐渐变缓；天然气泄漏形成的射流核的高度和宽度逐渐增大,射流的范围也逐渐增大,其中高度方向的增长要大于周长方向的增长。在泄漏孔径一定的情况下,分别模拟了2至7级风速下泄漏的过程。研究表明,随着风速的增大,天然气喷射形成的射流与X轴的夹角不断减小；天然气射流发展的高度逐渐下降；天然气射流发展方向逐渐向下风向倾斜。在相同条件下,对于两种泄漏初速度的影响进行了对比,随着泄漏初速度的增大,射流沿着高度方向发展的程度增大,速度沿高度方向衰减的趋势变缓,各组分在高度方向上的扩散范围增大,而在风速方向上的扩散范围缩小。射流在高度方向上的变化远远大于其在周长方向上的变化。在风速一定,泄漏口面积相同的情况下,分别对长方形、正方形、三角形和圆形泄漏口的泄漏过程进行了模拟。研究表明,泄漏口形状对于速度沿高度增加而衰减的趋势有较大影响,相同的泄漏口面积下长方形或圆形泄漏口的泄漏范围更广

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-12
1 引言  12-22
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 研究意义  13-15
  1.3 国内外研究现状  15-20
    1.3.1 研究的分类  15-16
    1.3.2 国外研究现状  16-18
    1.3.3 国内研究现状  18
    1.3.4 当前研究中存在的问题  18-19
    1.3.5 未来的发展趋势  19-20
  1.4 本论文的研究难点  20
  1.5 本论文的研究内容  20-22
2 天然气泄漏扩散理论基础  22-34
  2.1 射流理论基础  22-25
    2.1.1 射流的概念和分类  22-23
    2.1.2 气体射流过程简介  23-24
    2.1.3 天然气管道泄漏的射流特点  24-25
  2.2 天然气泄漏扩散模型基本方程概述  25-29
    2.2.1 连续性方程  25-26
    2.2.2 动量方程  26-27
    2.2.3 能量方程  27
    2.2.4 本构方程  27-28
    2.2.5 理想气体状态方程  28
    2.2.6 压缩因子的计算方法  28-29
  2.3 泄漏源模型及泄漏初速度的计算  29-32
    2.3.1 一般泄漏速率模型  29-30
    2.3.2 孔口泄漏模型和管道泄漏模型  30-32
  2.4 本章小结  32-34
3 天然气管道在空气中泄漏扩散的分析  34-40
  3.1 天然气管道在空气中的泄漏扩散过程  34
  3.2 天然气管道泄漏扩散的影响因素  34-35
  3.3 长输天然气管道泄漏的特点  35-36
  3.4 长输天然气管道泄漏扩散模拟研究方案  36-39
    3.4.1 工程背景  36-37
    3.4.2 研究方案  37-39
  3.5 本章小结  39-40
4 长输天然气管道泄漏扩散模型的建立  40-54
  4.1 三维模型的建立  40-41
  4.2 网格的划分  41-42
  4.3 边界条件的选取  42-44
  4.4 湍流模型的对比  44-48
    4.4.1 湍流模型的分类  44-45
    4.4.2 标准κ-ε模型  45-46
    4.4.3 重组化群κ-ε模型  46-47
    4.4.4 可实现κ-ε模型  47-48
    4.4.5 三种κ-ε模型的对比  48
  4.5 模拟参数的选取  48-51
  4.6 模型的验证  51-52
  4.7 本章小结  52-54
5 长输天然气管道泄漏扩散的影响因素分析  54-78
  5.1 孔径对泄漏过程的影响分析  54-59
    5.1.1 气体喷射速度的比较  54-55
    5.1.2 硫化氢扩散范围的比较  55-57
    5.1.3 甲烷扩散范围的比较  57-58
    5.1.4 孔径的影响  58-59
  5.2 风速对泄漏过程的影响分析  59-64
    5.2.1 气体喷射速度的比较  59-60
    5.2.2 硫化氢扩散范围的比较  60-62
    5.2.3 甲烷扩散范围的比较  62-64
    5.2.4 风速的影响  64
  5.3 泄漏初始速率对泄漏过程的影响分析  64-67
    5.3.1 气体喷射速度的比较  65
    5.3.2 硫化氢扩散范围的比较  65-66
    5.3.3 甲烷扩散范围的比较  66-67
    5.3.4 泄漏初速度的影响  67
  5.4 泄漏口形状对泄漏过程的影响分析  67-75
    5.4.1 气体喷射速度的比较  68-69
    5.4.2 硫化氢扩散范围的比较  69-70
    5.4.3 甲烷扩散范围的比较  70-71
    5.4.4 泄漏口截面速度和组分的比较  71-74
    5.4.5 泄漏口形状的影响  74-75
  5.5 各影响因素的对比分析  75
  5.6 本章小结  75-78
6 结论与展望  78-80
  6.1 结论  78-79
  6.2 展望  79-80
参考文献  80-82
作者简历  82-86
学位论文数据集  86

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