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摘要：燃气在给人们的生活和生产带来极大方便的同时，也由于其易燃、易爆、易泄漏的特性，也给人们的生产生活带来了极大的安全隐患，对不同的气象条件、地形条件、环境条件的扩散机理的掌握现在仍然是处于不断探索中的问题。
引言：本文采用CFD软件的一种fluent，对燃气在受限空间内多因素耦合（温度，湿度，风速，泄漏率）条件下的泄漏进行模拟，结合实验条件给定边界条件和初始值，模拟求解出不同初始条件下的燃气泄漏扩散规律和不同空间点上的燃气浓度分布图；并以试验的实测值检验CFD模拟的准确性，这对应急救援工作的有效实施将提供很大的帮助。
关键词： 受限空间 天然气 多因素耦合 CFD模拟
中图分类号： P618.13 文献标识码：A 文章编号：
1.Fluent数值模拟
对多因素耦合作用下试验空间的燃气泄漏扩散机理进行Fluent数值模拟，因为受限空间内燃气的泄漏扩散模拟时间比较短，在这段时间受限空间的温度变化不大，即是说密度变化不大；由于研究的是不同的环境温湿度下燃气的泄漏扩散机理，又是在受限空间内，所以燃气的扩散是自然对流和强迫对流都存在的湍流流动。所以，本文对受限空间内燃气泄漏扩散的的物理模型可做如下假设[1]：
①常温、低速、不可压缩流体流动；
②符合气体状态方程的等压流动；
③符合boussinesq假设；
④自然对流和强迫对流都存在的湍流流动；
2 Gambit建模与网格划分
实验台架为长*宽*高=2.5m*2m*2.6m的长方体，燃气从管道上的一小孔D=1.5mm的泄漏口泄漏进房间，房间顶上设置有自然通风口1，长*宽=0.18m*0.18m，侧面也有可以设置有自然通风口2，自然通风口2的长宽比可以自动的调节，以实现试验功能，全开情况下长*宽=1.2m*3.8m，Gambit对物理模型网格划分的好坏直接影响到Fluent的数值计算[1]，网格划分有以下三点要求：
网格不能太大，也不可太小；
网格大小不能有极变；
网格不能为负；
Gambit中，建立的物理模型如图1.1所示：
图1.1 物理模型的结构示意图
在本文中，在燃气进口处由于变量变化非常剧烈，对这部分的网格划分需要进行加密[2]，需要反复的调试与比较。
在Gambit中，指定了质量入口(mass_flow_inlet), 压力出口(pressure_out), 壁面( wall)几个类型的边界条件，在fluent中，需要对质量入口边界条件进行UDF自定义，把写好的程序[3]导入Fluent就可以准确的反映质量入口边界随时间的动态泄漏情况了。
根据试验条件，对边界条件做如下设置：
Inlet1:质量入口，mass-flow-inlet.c; Outlet1:压力出口，默认；
燃气温度：276K;模型區域温度：280.6K;模型区域湿度：81.8%;
3 模拟结果
按照上面的设定值对燃气的泄漏扩散进行CFD模拟计算，为了便于比较，截面的燃气质量浓度随时间的变化进行分析，模拟浓度分布结果如下图3.1-图3.5所示：
图3.1 秒 图3.2 秒
图3.3 秒 图3.4秒
从上面的模拟结果可以看出，燃气从小孔泄漏出来是直接以射流的形式往模型区域的上部空间走的，首先布满模型区域的上部空间，然后主要沿着模型区域向其他区域进行扩散，这主要是因为燃气是轻质气体，在浮升力和本身向上的泄漏速率的影响下而向上扩散，所以在模型区域内上部空间的燃气浓度要大于下层空间
另外对模型实验区间的监测点模拟计算，下面只给出A监测点的值，其坐标是（1100，1000，2300），其燃气体积分数随时间的变化如下图3.5所示：
图3.5测点A燃气的体积分数随时间的变化
模拟值与实测值的比较
下面是测点A的模拟值和实测值的对比，可以由下图进行描述：
图4.1测点A燃气浓度的实测值与模拟值的体积分数随时间的变化对比
误差分析：
对测点A的燃气浓度实测值与模拟值的对比分析可以看出，CFD模拟三个测点的燃气浓度增长趋势和实测增长的情况相似，都是随着时间的增加以较快的速度增长，总的来讲还是可以接受，模拟值与实测值之间也存在着误差，通过分析可知，误差的来源主要来自于以下几个方面：
①误差来自求解过程；CFD计算是数值计算，并不是精确计算，所以计算过程本身就存在误差。
②建模情况不可能完全是和模型实验情况一样，这也是误差来源的一个方面。
③误差来自数据采集系统，如仪器的测量误差等。
结论和展望
①应用CFD软件模拟求解燃气在试验环境条件下泄漏的扩散过程；模拟监测点处燃气浓度随时间的变化趋势和模拟值的范围与实测值主体一致，其模拟结果的直观形象为应急预案工作的开展可作为参考；
②本论文的结论是在实验室条件下所得，对本结论在工程领域的应用还需要进行进一步的验证和研究；
参考文献：[1] 帕坦卡 S V.传热与流体流动的数值计算.张政 译.科学出版社.1984
[2] 王福军. 计算流体动力学分忻——CFD软件原理与应用.北京:清华大学出版社.2004,9
[3] 张毅坤等 编著 C语言程序设计教程 西安交通大学出版社,2004
作者简介：曾小燕 籍贯:四川宜宾出生年月: 1986年5月 学历:硕士 职称:助工
引言：本文采用CFD软件的一种fluent，对燃气在受限空间内多因素耦合（温度，湿度，风速，泄漏率）条件下的泄漏进行模拟，结合实验条件给定边界条件和初始值，模拟求解出不同初始条件下的燃气泄漏扩散规律和不同空间点上的燃气浓度分布图；并以试验的实测值检验CFD模拟的准确性，这对应急救援工作的有效实施将提供很大的帮助。
关键词： 受限空间 天然气 多因素耦合 CFD模拟
中图分类号： P618.13 文献标识码：A 文章编号：
1.Fluent数值模拟
对多因素耦合作用下试验空间的燃气泄漏扩散机理进行Fluent数值模拟，因为受限空间内燃气的泄漏扩散模拟时间比较短，在这段时间受限空间的温度变化不大，即是说密度变化不大；由于研究的是不同的环境温湿度下燃气的泄漏扩散机理，又是在受限空间内，所以燃气的扩散是自然对流和强迫对流都存在的湍流流动。所以，本文对受限空间内燃气泄漏扩散的的物理模型可做如下假设[1]：
①常温、低速、不可压缩流体流动；
②符合气体状态方程的等压流动；
③符合boussinesq假设；
④自然对流和强迫对流都存在的湍流流动；
2 Gambit建模与网格划分
实验台架为长*宽*高=2.5m*2m*2.6m的长方体，燃气从管道上的一小孔D=1.5mm的泄漏口泄漏进房间，房间顶上设置有自然通风口1，长*宽=0.18m*0.18m，侧面也有可以设置有自然通风口2，自然通风口2的长宽比可以自动的调节，以实现试验功能，全开情况下长*宽=1.2m*3.8m，Gambit对物理模型网格划分的好坏直接影响到Fluent的数值计算[1]，网格划分有以下三点要求：
网格不能太大，也不可太小；
网格大小不能有极变；
网格不能为负；
Gambit中，建立的物理模型如图1.1所示：
图1.1 物理模型的结构示意图
在本文中，在燃气进口处由于变量变化非常剧烈，对这部分的网格划分需要进行加密[2]，需要反复的调试与比较。
在Gambit中，指定了质量入口(mass_flow_inlet), 压力出口(pressure_out), 壁面( wall)几个类型的边界条件，在fluent中，需要对质量入口边界条件进行UDF自定义，把写好的程序[3]导入Fluent就可以准确的反映质量入口边界随时间的动态泄漏情况了。
根据试验条件，对边界条件做如下设置：
Inlet1:质量入口，mass-flow-inlet.c; Outlet1:压力出口，默认；
燃气温度：276K;模型區域温度：280.6K;模型区域湿度：81.8%;
3 模拟结果
按照上面的设定值对燃气的泄漏扩散进行CFD模拟计算，为了便于比较，截面的燃气质量浓度随时间的变化进行分析，模拟浓度分布结果如下图3.1-图3.5所示：
图3.1 秒 图3.2 秒
图3.3 秒 图3.4秒
从上面的模拟结果可以看出，燃气从小孔泄漏出来是直接以射流的形式往模型区域的上部空间走的，首先布满模型区域的上部空间，然后主要沿着模型区域向其他区域进行扩散，这主要是因为燃气是轻质气体，在浮升力和本身向上的泄漏速率的影响下而向上扩散，所以在模型区域内上部空间的燃气浓度要大于下层空间
另外对模型实验区间的监测点模拟计算，下面只给出A监测点的值，其坐标是（1100，1000，2300），其燃气体积分数随时间的变化如下图3.5所示：
图3.5测点A燃气的体积分数随时间的变化
模拟值与实测值的比较
下面是测点A的模拟值和实测值的对比，可以由下图进行描述：
图4.1测点A燃气浓度的实测值与模拟值的体积分数随时间的变化对比
误差分析：
对测点A的燃气浓度实测值与模拟值的对比分析可以看出，CFD模拟三个测点的燃气浓度增长趋势和实测增长的情况相似，都是随着时间的增加以较快的速度增长，总的来讲还是可以接受，模拟值与实测值之间也存在着误差，通过分析可知，误差的来源主要来自于以下几个方面：
①误差来自求解过程；CFD计算是数值计算，并不是精确计算，所以计算过程本身就存在误差。
②建模情况不可能完全是和模型实验情况一样，这也是误差来源的一个方面。
③误差来自数据采集系统，如仪器的测量误差等。
结论和展望
①应用CFD软件模拟求解燃气在试验环境条件下泄漏的扩散过程；模拟监测点处燃气浓度随时间的变化趋势和模拟值的范围与实测值主体一致，其模拟结果的直观形象为应急预案工作的开展可作为参考；
②本论文的结论是在实验室条件下所得，对本结论在工程领域的应用还需要进行进一步的验证和研究；
参考文献：[1] 帕坦卡 S V.传热与流体流动的数值计算.张政 译.科学出版社.1984
[2] 王福军. 计算流体动力学分忻——CFD软件原理与应用.北京:清华大学出版社.2004,9
[3] 张毅坤等 编著 C语言程序设计教程 西安交通大学出版社,2004
作者简介：曾小燕 籍贯:四川宜宾出生年月: 1986年5月 学历:硕士 职称:助工