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管道内天然气初始流动分析

余花生

1年前浏览416

正文共： 942字 11图预计阅读时间： 3分钟

1 前言

本案例来自如下的工程实际，往一端管道内通入天然气，想知道多久时间后可以到达下游某个位置。

2 建模与网格

建立如下的管道，管道内径Φ80mm，总长（包括弯头）约3.522m。划分多面体网格，节点数约为134万，最小正交质量0.45。

3 求解设置

基本的操作不再冗述，仅对关键的进行描述。

设置混合物为空气和甲烷（CH4）二元气体，扩散系数暂且采用默认的，可以根据Fuller公式进行更为详细的计算。

入口采用速度入口，速度值1m/s，组分全部为甲烷。

出口采用压力出口，表压为0Pa。

以零速度值进行速度场初始化，以空气体积浓度为1进行浓度场初始化。

瞬态求解，时间步长取0.01。

创建两个监视器，分别监测管道内的天然气平均浓度和管道出口的甲烷平均浓度，以此分析天然气多久时间达到出口。

4 计算结果

首先，看一下根据以上的求解设置，出口的天然气浓度变化曲线。可以看到约在2.75s之后甲烷到达出口处（浓度显著可观）。

再看一下管道内的天然气平均浓度变化曲线，并与危宁[1]等推导的压入式通风稀释公式对比。可以看出，本案例的浓度变化速率显著高于危宁等的公式计算值。注：本案例管道总体积V为0.017636223m³，天然气体积流量Q为0.004993563m³/s。

关于上述参考文献的公式和本案例计算偏差大的原因，笔者如下分析：单从气体置换角度看，流入管道的天然气体积置换了原有空气的体积，因此经过时间t后，管道内的天然气平均浓度应该按如下计算，与流量和时间均成正比，而非参考文献的指数规律。

将以上正比关系式计算结果和模拟结果以及参考文献方法的计算结果对比如下，可以看出，正比关系式和模拟结果非常接近。

根据管道总体积和天然气的流量，可以计算得完全置换空气（即天然气浓度为1）所需的时间t=V/Q=3.53s，用管道总长除以天然气流速估算天然气达到出口的时间为t=L/v=3.52s，两者基本相同，但模拟结果约为4.5s。存在这种差异是因为公式计算的气体置换并未考虑空气和天然气的对流扩散混合，或者理解为天然气是以一个规则的柱状体填充管道（如下图），两者之间的分界面上浓度是0-1的阶跃。而实际上，由于对流扩散的混合作用，这样的界面和实际情况相差甚远（如下图），天然气浓度是以渐变的状态到达出口，而阶跃状态。

参考文献

[1] 危宁, 等. 隧道施工通风中的有害气体浓度变化分析

来源：仿真与工程

科普

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首次发布时间：2023-07-05

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