網格精度對山區地形氣體泄漏CFD模擬影響的研究

張曉麗+吳瑩瑩+栗明+于聚龍

摘要：文章主要探討了實際山區地形三維模型所劃分網格的精度對氣體泄漏模擬結果的影響。以普光某氣田為例建立三維模型，運用數值模擬和流體力學的理論，根據山區地形風場模擬和氣體泄漏模擬的要求，劃分出疏密程度不相同的網格。運用fluent軟件，模擬精密網格和粗糙網格對山區地形風場試算和氣體泄漏結果的影響，得到山區地形氣體泄漏的模擬對網格具有很大依賴性的結論。

關鍵詞：CFD；網格；網格精度；山區地形；湍流；邊界條件

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0020-02

目前，氣體泄漏的模擬很多都是在二維的情況下進行的，例如：山區地形高含硫輸氣管道環境風險事故模擬；室內空氣對流的特征與模擬；含硫化氫高壓天然氣管道泄漏的數值模擬；國內關于三維模擬的研究和著作相對較少，不同精度網格對模擬的影響案例也不是很多，如：暖通空調風管接頭壓力損失數值的CFD精確模擬，不同地貌起伏狀況下網格尺寸與DEM精度關系研究；CFD（fluent）在復雜環境液化天然氣泄漏的應用；系統壓力的數值研究對水平圓管中超臨界水流動傳熱的影響。本文通過不同精度網格對模擬影響的對比得到最適合的網格精度，這對以后的數值模擬具有參考價值。

1 CFD建模及網格劃分

常用的CFD求解器有FLUENT、PHONICS、CFX等，本研究選用FLUENT建模。本文選用的是7.24.5km2的山區面積建模，用Gambit進行網格的劃分，通過局部加密的方式得到高質量的網格，因為網格質量會直接影響到模擬結果的精度。網格劃分時采用的是非結構化網格，劃分好體網格以后運用fluent的網格轉化功能轉化為多面體網格，大大減少網格的數目，從而降低模擬時的運算量。模擬之前建立好的不同精度的網格如下：建立Interval Size=70的網格，泄漏孔劃分時interval size值為0.25，得到總的體網格數目為1431329個，也是在有限的計算機資源下可以用于硫化氫泄漏試算的最精密的網格，為后面研究網格的精度對山區地形氣體泄漏模擬的影響提供基礎的平臺。Interval Size=80的網格，泄漏孔劃分后只有六個網格，得到的網格質量相對比較粗糙，體網格的數目也有所減少。這兩個都是相對比較粗糙的網格，但是下面的Interval Size=100的網格體網格數目更少，泄漏孔附近的網格更加稀疏，這連續的三個網格也是用于后面算例的三個網格，通過比較模擬結果得到網格質量對山區地形氣體泄漏模擬的影響。

2 邊界條件的設定

本算例所取地形為普光某氣田的真實地形數據，所以風向取當地的最大頻率風向（北風）。風場試算選用的是k-e模型中的Reliable模型，設定為穩態求解，不可壓氣體。Bottom和presser-inlet都設定為wall，地面的粗糙厚度設為0.5m，風速、溫度和k、e的值調用UDF函數。氣體組分氧氣占23.29%，剩下的是氮氣，其余氣體的組分為0，其他的幾個面設為outflow。

氣體泄漏求解模型也是k-e模型，非穩態求解，不可壓縮氣體。Presser-inlet設定為Mass-flow-inlet。North設定為速度入口，氣體組分的設定氧氣占23.29%，氮氣占76.71%，其余的氣體組分均為0。其他的幾個面設定為outflow。

3 模擬數據及結論

把不同監測點得到的數據用MATLAB處理，interval size等于70、80和100的三種網格（分別稱為A網格、B網格和C網格），連續時間監測得到的數值繪制的圖形，選用四個監測點，針對不同的時間，得到結果不同時間的監測點硫化氫濃度圖。（1）比較網格的疏密對氣體泄漏的影響得到山區地形氣體泄漏的模擬對網格具有很大的依賴性。本算例中interval size等于100的網格不適合山區地形高含硫天然氣泄漏的模擬，網格質量太差，以至于得到的結果偏離實際值太多；（2）在進行網格精度對氣體泄漏影響的研究時，受計算機資源和計算時間的限制，試算中用的網格相比較而言還是比較粗糙，劃分出的更加精密的網格對試算的影響還有待于更進一步的研究。

參考文獻

[1] 王曉，等.山區地形高含硫輸氣管道環境風險事故模擬[J].中國環境科學，2008，28（1）.

[2] 鄧啟紅.室內空氣對流的特征與模擬[D].湖南大學，2004.

[3] 胡夏琦.含硫化氫高壓天然氣管道泄漏的數值模擬

[D].中國石油大學，2007.

[4] T.L.Hilderman，S.E.Hrudey，D.J.Wilson.A model for effective toxic load from fluctuating gas concentrations

[J].Journal of Hazardous Materials，1999.

[5] Shao，L.，S.B.Riffat，Accuracy of CFD for predicting pressure losses in HVAC duct fittings[J].Applied Energy，1995，51（3）.

[6] 史明昌，沈晶玉.不同地貌起伏狀況下網格尺寸與DEM精度關系研究[J].水土保持研究，2006，6（3）.

[7] Gavelli，Filippo，Bullister，Edward，Kytomaa，Harri.Application of CFD（Fluent）to LNG spills into geometrically complex environments[J].Journal of Hazardous Materials，2008，11（1）.

[8] 章博，陳國明.毒氣泄漏環境下人員暴露風險評估

[D].中國石油大學（華東），2009.

[9] 余斌，魏立新，辛穎.大慶油田天然氣管道泄漏事故后果模擬[J].油氣儲運，2008，27（6）.

[10] 王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

作者簡介：張曉麗（1988-），女，安徽人，中石化中原建設工程有限公司助理工程師。

摘要：文章主要探討了實際山區地形三維模型所劃分網格的精度對氣體泄漏模擬結果的影響。以普光某氣田為例建立三維模型，運用數值模擬和流體力學的理論，根據山區地形風場模擬和氣體泄漏模擬的要求，劃分出疏密程度不相同的網格。運用fluent軟件，模擬精密網格和粗糙網格對山區地形風場試算和氣體泄漏結果的影響，得到山區地形氣體泄漏的模擬對網格具有很大依賴性的結論。

關鍵詞：CFD；網格；網格精度；山區地形；湍流；邊界條件

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0020-02

目前，氣體泄漏的模擬很多都是在二維的情況下進行的，例如：山區地形高含硫輸氣管道環境風險事故模擬；室內空氣對流的特征與模擬；含硫化氫高壓天然氣管道泄漏的數值模擬；國內關于三維模擬的研究和著作相對較少，不同精度網格對模擬的影響案例也不是很多，如：暖通空調風管接頭壓力損失數值的CFD精確模擬，不同地貌起伏狀況下網格尺寸與DEM精度關系研究；CFD（fluent）在復雜環境液化天然氣泄漏的應用；系統壓力的數值研究對水平圓管中超臨界水流動傳熱的影響。本文通過不同精度網格對模擬影響的對比得到最適合的網格精度，這對以后的數值模擬具有參考價值。

1 CFD建模及網格劃分

常用的CFD求解器有FLUENT、PHONICS、CFX等，本研究選用FLUENT建模。本文選用的是7.24.5km2的山區面積建模，用Gambit進行網格的劃分，通過局部加密的方式得到高質量的網格，因為網格質量會直接影響到模擬結果的精度。網格劃分時采用的是非結構化網格，劃分好體網格以后運用fluent的網格轉化功能轉化為多面體網格，大大減少網格的數目，從而降低模擬時的運算量。模擬之前建立好的不同精度的網格如下：建立Interval Size=70的網格，泄漏孔劃分時interval size值為0.25，得到總的體網格數目為1431329個，也是在有限的計算機資源下可以用于硫化氫泄漏試算的最精密的網格，為后面研究網格的精度對山區地形氣體泄漏模擬的影響提供基礎的平臺。Interval Size=80的網格，泄漏孔劃分后只有六個網格，得到的網格質量相對比較粗糙，體網格的數目也有所減少。這兩個都是相對比較粗糙的網格，但是下面的Interval Size=100的網格體網格數目更少，泄漏孔附近的網格更加稀疏，這連續的三個網格也是用于后面算例的三個網格，通過比較模擬結果得到網格質量對山區地形氣體泄漏模擬的影響。

2 邊界條件的設定

本算例所取地形為普光某氣田的真實地形數據，所以風向取當地的最大頻率風向（北風）。風場試算選用的是k-e模型中的Reliable模型，設定為穩態求解，不可壓氣體。Bottom和presser-inlet都設定為wall，地面的粗糙厚度設為0.5m，風速、溫度和k、e的值調用UDF函數。氣體組分氧氣占23.29%，剩下的是氮氣，其余氣體的組分為0，其他的幾個面設為outflow。

氣體泄漏求解模型也是k-e模型，非穩態求解，不可壓縮氣體。Presser-inlet設定為Mass-flow-inlet。North設定為速度入口，氣體組分的設定氧氣占23.29%，氮氣占76.71%，其余的氣體組分均為0。其他的幾個面設定為outflow。

3 模擬數據及結論

把不同監測點得到的數據用MATLAB處理，interval size等于70、80和100的三種網格（分別稱為A網格、B網格和C網格），連續時間監測得到的數值繪制的圖形，選用四個監測點，針對不同的時間，得到結果不同時間的監測點硫化氫濃度圖。（1）比較網格的疏密對氣體泄漏的影響得到山區地形氣體泄漏的模擬對網格具有很大的依賴性。本算例中interval size等于100的網格不適合山區地形高含硫天然氣泄漏的模擬，網格質量太差，以至于得到的結果偏離實際值太多；（2）在進行網格精度對氣體泄漏影響的研究時，受計算機資源和計算時間的限制，試算中用的網格相比較而言還是比較粗糙，劃分出的更加精密的網格對試算的影響還有待于更進一步的研究。

參考文獻

[1] 王曉，等.山區地形高含硫輸氣管道環境風險事故模擬[J].中國環境科學，2008，28（1）.

[2] 鄧啟紅.室內空氣對流的特征與模擬[D].湖南大學，2004.

[3] 胡夏琦.含硫化氫高壓天然氣管道泄漏的數值模擬

[D].中國石油大學，2007.

[4] T.L.Hilderman，S.E.Hrudey，D.J.Wilson.A model for effective toxic load from fluctuating gas concentrations

[J].Journal of Hazardous Materials，1999.

[5] Shao，L.，S.B.Riffat，Accuracy of CFD for predicting pressure losses in HVAC duct fittings[J].Applied Energy，1995，51（3）.

[6] 史明昌，沈晶玉.不同地貌起伏狀況下網格尺寸與DEM精度關系研究[J].水土保持研究，2006，6（3）.

[7] Gavelli，Filippo，Bullister，Edward，Kytomaa，Harri.Application of CFD（Fluent）to LNG spills into geometrically complex environments[J].Journal of Hazardous Materials，2008，11（1）.

[8] 章博，陳國明.毒氣泄漏環境下人員暴露風險評估

[D].中國石油大學（華東），2009.

[9] 余斌，魏立新，辛穎.大慶油田天然氣管道泄漏事故后果模擬[J].油氣儲運，2008，27（6）.

[10] 王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

作者簡介：張曉麗（1988-），女，安徽人，中石化中原建設工程有限公司助理工程師。

摘要：文章主要探討了實際山區地形三維模型所劃分網格的精度對氣體泄漏模擬結果的影響。以普光某氣田為例建立三維模型，運用數值模擬和流體力學的理論，根據山區地形風場模擬和氣體泄漏模擬的要求，劃分出疏密程度不相同的網格。運用fluent軟件，模擬精密網格和粗糙網格對山區地形風場試算和氣體泄漏結果的影響，得到山區地形氣體泄漏的模擬對網格具有很大依賴性的結論。

關鍵詞：CFD；網格；網格精度；山區地形；湍流；邊界條件

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0020-02

目前，氣體泄漏的模擬很多都是在二維的情況下進行的，例如：山區地形高含硫輸氣管道環境風險事故模擬；室內空氣對流的特征與模擬；含硫化氫高壓天然氣管道泄漏的數值模擬；國內關于三維模擬的研究和著作相對較少，不同精度網格對模擬的影響案例也不是很多，如：暖通空調風管接頭壓力損失數值的CFD精確模擬，不同地貌起伏狀況下網格尺寸與DEM精度關系研究；CFD（fluent）在復雜環境液化天然氣泄漏的應用；系統壓力的數值研究對水平圓管中超臨界水流動傳熱的影響。本文通過不同精度網格對模擬影響的對比得到最適合的網格精度，這對以后的數值模擬具有參考價值。

1 CFD建模及網格劃分

常用的CFD求解器有FLUENT、PHONICS、CFX等，本研究選用FLUENT建模。本文選用的是7.24.5km2的山區面積建模，用Gambit進行網格的劃分，通過局部加密的方式得到高質量的網格，因為網格質量會直接影響到模擬結果的精度。網格劃分時采用的是非結構化網格，劃分好體網格以后運用fluent的網格轉化功能轉化為多面體網格，大大減少網格的數目，從而降低模擬時的運算量。模擬之前建立好的不同精度的網格如下：建立Interval Size=70的網格，泄漏孔劃分時interval size值為0.25，得到總的體網格數目為1431329個，也是在有限的計算機資源下可以用于硫化氫泄漏試算的最精密的網格，為后面研究網格的精度對山區地形氣體泄漏模擬的影響提供基礎的平臺。Interval Size=80的網格，泄漏孔劃分后只有六個網格，得到的網格質量相對比較粗糙，體網格的數目也有所減少。這兩個都是相對比較粗糙的網格，但是下面的Interval Size=100的網格體網格數目更少，泄漏孔附近的網格更加稀疏，這連續的三個網格也是用于后面算例的三個網格，通過比較模擬結果得到網格質量對山區地形氣體泄漏模擬的影響。

2 邊界條件的設定

本算例所取地形為普光某氣田的真實地形數據，所以風向取當地的最大頻率風向（北風）。風場試算選用的是k-e模型中的Reliable模型，設定為穩態求解，不可壓氣體。Bottom和presser-inlet都設定為wall，地面的粗糙厚度設為0.5m，風速、溫度和k、e的值調用UDF函數。氣體組分氧氣占23.29%，剩下的是氮氣，其余氣體的組分為0，其他的幾個面設為outflow。

氣體泄漏求解模型也是k-e模型，非穩態求解，不可壓縮氣體。Presser-inlet設定為Mass-flow-inlet。North設定為速度入口，氣體組分的設定氧氣占23.29%，氮氣占76.71%，其余的氣體組分均為0。其他的幾個面設定為outflow。

3 模擬數據及結論

把不同監測點得到的數據用MATLAB處理，interval size等于70、80和100的三種網格（分別稱為A網格、B網格和C網格），連續時間監測得到的數值繪制的圖形，選用四個監測點，針對不同的時間，得到結果不同時間的監測點硫化氫濃度圖。（1）比較網格的疏密對氣體泄漏的影響得到山區地形氣體泄漏的模擬對網格具有很大的依賴性。本算例中interval size等于100的網格不適合山區地形高含硫天然氣泄漏的模擬，網格質量太差，以至于得到的結果偏離實際值太多；（2）在進行網格精度對氣體泄漏影響的研究時，受計算機資源和計算時間的限制，試算中用的網格相比較而言還是比較粗糙，劃分出的更加精密的網格對試算的影響還有待于更進一步的研究。

參考文獻

[1] 王曉，等.山區地形高含硫輸氣管道環境風險事故模擬[J].中國環境科學，2008，28（1）.

[2] 鄧啟紅.室內空氣對流的特征與模擬[D].湖南大學，2004.

[3] 胡夏琦.含硫化氫高壓天然氣管道泄漏的數值模擬

[D].中國石油大學，2007.

[4] T.L.Hilderman，S.E.Hrudey，D.J.Wilson.A model for effective toxic load from fluctuating gas concentrations

[J].Journal of Hazardous Materials，1999.

[5] Shao，L.，S.B.Riffat，Accuracy of CFD for predicting pressure losses in HVAC duct fittings[J].Applied Energy，1995，51（3）.

[6] 史明昌，沈晶玉.不同地貌起伏狀況下網格尺寸與DEM精度關系研究[J].水土保持研究，2006，6（3）.

[7] Gavelli，Filippo，Bullister，Edward，Kytomaa，Harri.Application of CFD（Fluent）to LNG spills into geometrically complex environments[J].Journal of Hazardous Materials，2008，11（1）.

[8] 章博，陳國明.毒氣泄漏環境下人員暴露風險評估

[D].中國石油大學（華東），2009.

[9] 余斌，魏立新，辛穎.大慶油田天然氣管道泄漏事故后果模擬[J].油氣儲運，2008，27（6）.

[10] 王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

作者簡介：張曉麗（1988-），女，安徽人，中石化中原建設工程有限公司助理工程師。