摘 要

我们众所周知，天然气这几年发展十分迅猛。国家大力支持发展清洁能源，人们对清洁能源的需求也越来越大。但是天然气管道建设发展的同时也伴随着很多问题，其中最严重的是天然气管道泄漏问题^[1]。天然气管道泄漏有很大危害，可能会引发爆炸、火灾等大型事故^[2]，从而造成严重的人身伤害、环境破坏以及财产损失。因此，对天然气管道发生泄漏后的情况进行模拟，从而研究天然气扩散规律，再对天然气发生爆炸的危险区域进行分析很有必要。该项研究对降低事故发生率，减小天然气扩散危险区域，保障人身安全有重大意义。

本课题基于有限元的方法，运用流体力学相关理论，利用计算流体力学（CFD）对天然气泄漏扩散情况进行模拟分析，从而研究天然气的扩散特性和浓度分布情况。本课题选择运用FLUENT软件进行运算。首先建立天然气管道泄漏扩散的物理模型并进行网格划分，然后进行参数设置，建立计算模型，经FLUENT后处理得到计算结果。最后分析计算结果，研究天然气扩散的危险区域和不同高度截面的天然气浓度变化，并在控制变量情况下研究5种工况下不同因素对天然气泄漏扩散特性的影响，本课题研究的影响因素主要是管道压力、楼房高度和楼宇间距。

本文分析的天然气在楼宇之间的扩散模拟结果是在理论分析的基础上进行的，从而达到了理论研究与数值模拟的统一。本文最后对建筑物布局提出合理的建议，有利于减小危险性，有一定的参考意义。

关键词：天然气，泄漏扩散，泄漏速率，浓度分布，数值模拟

Abstract

We all know that natural gas development in recent years is very rapid. The country strongly supports the development of clean energy, people's demand for clean energy is also growing. But the development of natural gas pipeline construction is also accompanied by a lot of problems, the most serious of which is the problem of natural gas pipeline leakage ^[1]. Natural gas pipeline leakage is very harmful, may lead to explosion, fire and other large accidents ^[2], resulting in serious personal injury, environmental damage and property damage. Therefore, it is necessary to simulate the natural gas pipeline after the leakage of natural gas pipeline, so as to study the law of natural gas diffusion and then analyze the dangerous area of ​​natural gas explosion. The study is of great significance in reducing the incidence of accidents, reducing the risk of natural gas diffusion areas, and ensuring personal safety.

Based on the finite element method, the CFD method is used to simulate the natural gas leakage and diffusion, and the diffusion characteristics and concentration distribution of natural gas are studied. This topic chooses to use FLUENT software to carry on the computation. Firstly, the physical model of the leakage and diffusion of natural gas pipeline is established and the grid is divided. Then, the parameters are set up and the calculation model is established. The results are calculated by FLUENT. Finally, the results are analyzed and the natural gas concentration of natural gas diffusion and the change of natural gas concentration at different height sections are studied. The influence of different factors on natural gas leakage and diffusion characteristics under five kinds of conditions is studied. The influencing factors of this research are mainly Pipe pressure, building height and building spacing.

The results of the simulation of the diffusion of natural gas between buildings are based on the theoretical analysis, so as to achieve the unity of theoretical research and numerical simulation. At the end of this paper, it is reasonable to make reasonable suggestions on the layout of the building, which is helpful to reduce the danger and have some reference significance.

Key Words: natural gas; leakage diffusion; leakage velocity; concentration distribution; numerical simulation

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景与意义 1

1.1.1 天然气管道建设发展概况 1

1.1.2 天然气管道的安全状况 1

1.1.3 项目研究的目的及意义 3

1.2国内外研究现状 3

1.2.1 国外研究现状 3

1.2.2 国内研究现状 4

1.3 本课题主要研究内容和方法 4

1.3.1 主要研究内容 5

1.3.2 主要研究方法 5

1.4 课题研究技术路线 6

第二章 天然气管道泄漏扩散的机理 7

2.1 气体流动的基本控制方程 7

2.2.1 连续性方程 7

2.2.2 动量方程 7

2.2 组分方程 7

2.3 湍流模型基本方程 8

2.4 天然气泄漏速率的计算机理 8

2.4.1 临界泄漏阶段 9

2.4.2 亚临界泄漏阶段 9

2.5 本章小结 9

第三章 天然气扩散的模拟研究 10

3.1建立几何模型 10

3.1.1 模型假设 10

3.1.2 物理模型 10

3.1.3 网格划分 11

3.2 FLUENT 数值模拟计算 13

3.2.1 FLUENT 运行环境设置 13

3.2.2 FLUENT计算模型选择 13

3.3 FLUENT初始条件和边界条件设置 13

3.3.1 天然气泄漏速度的设置 13

3.3.2 初始条件设置 15

3.3.3 边界条件设置 15

3.4 本章小结 16

第四章 天然气管道泄漏扩散特性及影响因素 17

4.1 泄漏速率对天然气扩散特性的影响 17

4.1.1危险区域分析 17

4.1.2 不同高度截面天然气浓度变化 23

4.2 建筑物高度对天然气扩散特性的影响 24

4.2.1 危险区域分析 25

4.2.2 不同高度截面天然气浓度变化 28

4.3 楼宇间距对天然气扩散特性的影响 28

4.4 本章小结 30

第五章 结论与展望 31

5.1 结论 31

5.2 展望 31

参考文献 33

致谢 35

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.1.1 天然气管道建设发展概况

这些年来我国建设了大量天然气管道，目前有很多正处于设计建造时期。在燃气管道输送系统中最大的安全隐患就是天然气管道的泄漏问题。

我国天然气管道建设的发展从刚刚起步到相对完善经历了六十余年。经过长期以来的发展，我国在管道的施工建设方面有了很大提高，管道质量日益完善，管道的分布也逐渐覆盖完整。目前我国形成了天然气各路管网相互配合、相辅相成的总体格局。另外由于埋地管道的安全性较好，可以大大降低人为损坏的影响，所以我国的长输天然气管道和城镇管道都普遍采用的是埋地，但由于各种不可避免的条件影响，还是会引发管道的各类事故。

目前正是我国天然气管道发展的重要时段，需要在原有的管道上更加全面铺设管道，覆盖全国范围。争取在短时间内达到全国天然气调度合理、供需合理的使用要求。下图是我国天然气管网的整体分布，可以看到天然气管道覆盖率很广，天然气需求量达到高峰。

图1.1 我国天然气管网分布

1.1.2 天然气管道的安全状况

首先，在天然气管道建设和使用的过程中，由于管道建设施工过程中的质量问题、运行过程中的质量问题、人为破坏、管道腐蚀等原因，因而会发生天然气泄漏爆炸事故。