FLUENT模拟管道破口泄漏的几个关注点

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1 前言

之前我们做过一个管道破口泄漏模拟案例（“FLUENT水管破口泄漏计算简单案例”，2020-10-11推文）。该案例简单演示了模拟方法，整体方向是没太大问题的，但是细究起来，对于工程上的仿真应用，还是有几个点需要详细讨论一番。今天，我们继续针对一个案例来讨论一下，如果要更为准确地模拟该问题，需要关注哪些事项。

2 关注点

第一，计算域的创建。对于该问题，计算域必须包含如下三个边界，管道入口（1）、泄漏口（2）和管道出口（3）。

第二，边界条件的设置。对于上述计算域，三个边界应该要有明确的已知条件。实际上，对于任何仿真模拟，都需要有明确的边界条件（压力、速度、温度等），而这个“明确”很多时候是相对而言的。通常来说，管道入口（1）是很明确的，可以是确定的压力或者确定的流量，因为对于某个工程实际，不论下游是否泄漏，都有个既定的输送流量。这种情况下，泄漏与否只会影响下游的管路阻力特性，而对上游管段没有影响。但是，很显然，（2）的流量/压力是计算目标，（3）的流量/压力会受到（2）的影响。比如，（2）发生泄漏后，流入下游管道的流量减小，压力也会降低。因此，本质上，（2）和（3）的边界都是未知量。显然，（2）和（3）采用压力边界条件是更合适的，但是这里需要特别注意，这两个位置的压力，不论是总压还是静压，严格来说都是未知的。实际上，（2）可以等效为射流孔，假设管内外介质是一致的，则可以施加一个出口阻力边界（fluent中为outlet-vent），这个阻力系数类似于管径突然变为无穷大，局部阻力系数约为1.0。如果是多相流或者多组分的情况，则未必等于1。对于（3）而言，如果处于管道末端，最终排入大环境，也可以进行类似的局部阻力处理。

第三，计算资源。对于上述的边界条件（3），如果要采用局部阻力处理，那么从（2）到（3）的管道最好都建模，这就涉及到计算资源问题，如果管道很长，则采用真实建模将显得力不从心。这时候，我们可以将这段管段简化成一个具有较短长度的阻力件，采用多孔介质模型就很合适了。也就是将这段管，设置成流量和压力的关系模型。需要注意的是，采用这种处理方法后，这个管段上的某个具体位置的压力将没有实际意义，也就是说，想获得实际某个位置的压力，则不能直接从模型中的这段管获取了。