CFD仿真

3.1气体泄漏扩散的模拟方法目前在研究气体扩散领域应用较多的模拟方法主要有三种，即：物理模拟方法、数学模拟方法和CFD数值模拟方法。当然在实际的模拟仿真过程中，经常是两种或是三种方法同时使用，以此来验证模拟的准确性。3.1.1物理模拟方法物理模拟是模拟的基础方法，[31]指在不同与实体的规模上将某一过程再现，并分析其物理特性和线性尺度对实体的影响，进而对所研究实体或过程进行直接实验。将实际地形物理按比例的缩小模型置于实验体(如风洞、水槽等)内，在满足基本相似条件(主要包括几何、运动、热力、动力和边界条件相似)的基础上，模拟真实过程的主要特征，如空气动力规律和扩散规律。物理模型建立的理论基础是相似理论。进行进行物理模拟研究，必须解决如何设计和制作模型以及将模型实验的结论在实体上应用等问题。相似原理是研究、支配力学相似系统的性质及如何用模型实验解决实际问题的一门科学，是进行模型实验研究的依据。根据相似理论，物理模型若能与原型保持相似，则由物理模型经过实验得到的规律，原型也同样适用。建立物理模型要遵循很多相似条件，如几何相似、运动相似、动力相似及热相似等。在建立模型时，由于所有相似条件不可能完全满足，所以针对研究的具体要求，要适当做出取舍，恰当选取相似参数是实现物理模拟的关键。物理模拟主要用于数值计算模式难于处理的复杂地形以及受到建筑物影响时的扩散研究。与现场实验相比，特别是复杂条件下的现场试验相比，物理模拟实验条件易控制、可重复，且可节省人力、物力，可进行较全面和规律性实验，是大气扩散研究的重要手段。3.1.2数学模拟方法数学模拟方法是解决简单扩散问题的常用方法，此方法是[31]通过用数学模型、在一定条件下来研究一个物理或化学过程，或通过模型描述一个复杂的物理或化学过程的某些特点。此种方法所借助的数学模型的方式没有固定限制，可以是一系列代数式或微分、积分方程，也可以简化为一个关系式。其中常见的数学模型：高斯模型、箱及相似模型、浅层模型、Sutton模型以及唯象模型。3.1.3CFD数值模拟方法CFD模拟是一种数值模拟方法，用此方法解决流体运动问题于数学方法的研究思路不同，此种方法对扩散的研究不必依赖偏微分方程的求解，在解决问题时，根据具体研究的要求，不是去求解析解，而是运用有限元的思想对具体问题建模，并通过相应的软件技术对模型进行模拟仿真计算，使对具体的流动过程的分析和研模拟。采用这种数值模拟方法进行模拟有一定的程序。第一步，根据泄漏介质的特点和泄漏条件建立基本守恒方程，包括质量方程、动量方程、能量方程以及组分方程等；第二步，判断和选择初始和边界条件，对扩散中的各种场函数进行模拟，这些场主要有流场、温度场、浓度场等。第三步，对各种描述结果进行分析，完成模拟目的。[40]此种方法是在借助计算机的基础上完成的，模拟过程中不需要对气体的密度性质进行判断，对于扩散的初始状态也不用进行详细的阶段分析，因此用这种方法进行模拟就克服了箱及相似模型中的许多缺点，对于箱及相似模型模拟是遇到的问题都可以不考虑，如辨识和模拟重气的下沉、扩散过程中空气的卷吸、等许多问题。另外，该方法对模拟对象的要求不高，[41]既可以模拟平坦均匀地形情况的扩散问题，又有模拟更复杂情形流动的能力。这种模拟方法是在Navier-Stokes方程(以下简称N-S方程)的基础上产生的，是一种完全三维的流体力学模拟方法，至少在原理上，此种方法可以模拟所有重要的物理过程。物体的流动有层流和湍流之分。通常情况下，大气的流动都为湍流。[42]相对于层流来说，湍流过程更为复杂。经过长时间的研究和总结工作，目前关于湍流的工程模式和计算机数值模拟方法有许多，但总结来看，已经普遍采用只有直接数值模拟方法、大涡模拟方法和湍流统观模拟方法这三种。3.2Fluent软件介绍尽管天然气在室内的扩散满足微观质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，但是由于受到各种因素内外界因素的影响，[28]天然气在运动过程中由于多种原因会发生很大的形变，这种形变的方式采用数学方法很难进行求解。即使利用数学方法得到了偏微分方程，并通过近似等方式得到了方程的解析解，但这种方式不能很好的反应天然气的扩散状态。所以对具体的扩散问题只有借助计算机技术来完成，运用数值求解方法来对扩散问题进行研究，计算流体力学(CFD)是进行此类研究的基础。Fluent是CFD软件中应用很广泛的一种，它[29]在美国的市场占有率已经超过60%，是目前国际上比较流行的CFD软件包，可以模拟跟流体、热传递及化学反应等有关的很多问题。此软件使用方便、功能强大。其主要特点是：物理模型全面、数值方法先进、及的前、后处理功能强大，目前在很多领域都有着广泛的应用，并且取得了很好的效果。特别是航空航天研究、汽车设计、石油天然气泄漏扩散等方面。Fluent软件设计是基于CFD软件群的思想，针对各种复杂流动的现象，从用户需求角度出发，陈对模拟对象的特点，采用不同的离散格式，利用不同的数值求解方法，最终达到模拟实验的目的，并要求实验中各种参数在自身领域内的稳定性。同时也要对计算速度和精度进行设置，这样可以高效的结局复杂的流动问题，而且可以解决各个领域的问题。基于上述思想，Fluent开发了各种模拟软件，这些软件适用于各个领域、多种流动的模拟。这些软件能够模拟流体流动、化学反应、物质传热和其它多种复杂的物理现象。为了方便用户，Fluent在建立网格时采用了统一的生成技术，而且应用相同的图形界面，使用起来很方便。究变得很方便。本章就应用CFD软件Fluent对天然气室内扩散过程进行仿真3.2.1Fluent用于气体泄漏扩散的适用性目前在泄漏扩散模拟仿真方面已经应用Fluent做过的研究有化学试验烟羽轨迹跟踪，冷却塔烟羽扩散模式研究等。另外，袋虑室、旋风除尘器、有毒气体排放、烟气脱硫设备、SO2洗涤、工业污染物排放等过程和设备的模拟等都可以应用Fluent进行模拟。通过以上的成功经验证明，Fluent对于居室内天然气的泄露扩散问题的模拟具有适用性。3.3天然气泄漏的仿真过程本小节是在分析天然气室内泄漏扩散特点的基础上，确定基本控制方程，利用计算流体力学(CFD)方法，对室内燃气泄漏扩散过程的状态进行模拟和仿真。3.3.1天然气泄漏扩散模型1）物理模型的建立本文选择普通居民居住的房间作为研究对象。几何尺寸:长8m,宽3m.在通风的条件下，天然气在管道口发生泄漏在此条件下做以下假设：a.把空气质点的平均运动看作是不可压缩流体的运动；b.在数值计算中忽略空气粘性的影响；c.本文使用湍流粘性系数来表征大气的湍流性质，并采用双方程湍流模型，即k-湍流模型求解；d.假设泄漏时温度不发生变化，并忽略可燃性气体与空气的温度差异。2）几何模型的建立Fluent建立几何模型主要有两种方式：[49]一是在前处理器Gambit中直接建立；另一种是利用专业的软件工具建立模型并将其导入Fluent中。Gambit只适用于创建简单的几何体，对于复杂形体而言，其绘图功能是远远不够的，这时Gambit允许引入一些其他软件创建的文件，常用的有Autocad创建的ASCI形式的文件。本文的模型是在前处理器Gambit中直接建立。为了更直观、更形象的反映天然气泄漏扩散的过程，本文采用的是二维建模的方式。3）网格的划分在使用CFD软件的工作中，有大约80%的时间是花费在划分网格上，可以说网格划分能力的高低是决定工作效率的主要因素之一。[50]Fluent软件采用非结构与适应性网格相结合的方式进行网格划分。与结构化网格和分块网格相比，非结构网格划分便于处理复杂外形的网格划分，而适应性网格则便于计算流场参数变化剧烈、梯度很大的流动，同时这种划分方式也便于网格的细化或粗化，使得网格划分更加灵活、简便。Fluent划分网格的途径有两种：一种是用Fluent提供的专用网格划分软件Gambit进行网格划分，另一种则是由其他的制图软件，如CAD软件等完成造型工作，再导入Gambit中生成网格。还可以用其他网格生成软件生成与Fluent兼容的网格用于计算。本文是在Fluent前处理器Gambit中进行网格划分，按照由线到面、由面到体的原则，采用自动划分的方式对网格进行划分，共划分网格12996个，网格划分情况如图3-3所示。3.3.2基本控制方程Fluent的求解是基于各种方程的，[51]本文涉及到的基本方程主要有连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程四种。1）连续性方程对于湍流的求解要借助连续性方程来完成。根据物质扩散的各种性质不同，可将连续性方程可分为以下[52]4类，第一类为不可压缩流体模型(incompressiblefluidmodel,IFM)；第二类为非弹性流体模型(anelasticfluidmodel,AFM)；第三类为变密度流体模型(variabledensityfluidmodel,VDFM)；第四类为变密度湍流流体模型(variabledensityturbulentfluidmodel,VDTFM)。不可压缩流体0iixu(3.1)非弹性流体0iixu(3.2)变密度流体0)(iixut(3.3)变密度湍流流体0)()(''iiiixuxut(3.4)对于本课题研究的气体射流问题，考虑到天然气泄漏为射流喷口，且室内泄漏过程中忽略温度的变化影响，且其密度与空气的不同，在扩散过程中其密度也在不断的发生变化。根据这些特点，天然气室内泄漏过程的基本控制方程为如式3.3所示，式中，ρ为泄漏物质的密度，ui为三个方向的速度(u，v，w)。2）动量方程气体扩散同样遵循动量守恒方程，可得出扩散过程中x、y、z三个方向上的动量守恒方程，通式为：iaijtjjitjijijiguuxxuxxpuuxtu)()()()()((3.5)x方向：)()()()()()()()()()(2xwtxvyxuxzuzyuyxuxxuwzuvuttutttttty(3.6)y方向：)()()()()()()()()()(2ywzyvyyuxzvzyvyxvxypuvzvuvttvtttttty(3.7)z方向：)()()()()()()()()()(2zwzzvyzuxzwzywyxwxzpwzvwyuwttwtttttt(3.8)式中，u、v、w分别为流体扩散过程中在x、y、z三个方向上的速度分量，为流体的湍流粘度，g为重力加速度，p为扩散开始的绝对压力。3）能量方程扩散过程中的能量方程如下所示：jjctpppjtjpjjxTxwcccxTkxcTuxtTav])[()(1)()((3.9)式中，T为流体的温度，tk为流体的湍流导热系数，可通过流体的湍流普朗特(Prandtl)数将t与t联系起来：tTtkk)Pr(。T取为常数，一般为0.9~1，kcp/Pr。其中：pc、pvc分别为混合物流体的定压比热和为泄漏物质的定压比热，pac为空气的定压比热，papvpccc)1(。4）组分方程由组分质量守恒定律可得出组分方程：)()()(jtjjjxDxuxt式中，ω为各成分的组分质量分率，Dt为流体扩散的湍流扩散系数，此系数可通过流体的湍流施密特（Schmidtl）数将c与tu联系起来：tcctSDD)(。c取为常数，一般可取为1，而DSc于是有：)()()(jtjjjxxuxt。3.3.3Fluent数值计算将网格划分后，进进入Fluent