網(wǎng)格精度對(duì)山區(qū)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(shí)際山區(qū)地形三維模型所劃分網(wǎng)格的精度對(duì)氣體泄漏模擬結(jié)果的影響。以普光某氣田為例建立三維模型，運(yùn)用數(shù)值模擬和流體力學(xué)的理論，根據(jù)山區(qū)地形風(fēng)場(chǎng)模擬和氣體泄漏模擬的要求，劃分出疏密程度不相同的網(wǎng)格。運(yùn)用fluent軟件，模擬精密網(wǎng)格和粗糙網(wǎng)格對(duì)山區(qū)地形風(fēng)場(chǎng)試算和氣體泄漏結(jié)果的影響，得到山區(qū)地形氣體泄漏的模擬對(duì)網(wǎng)格具有很大依賴性的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：CFD；網(wǎng)格；網(wǎng)格精度；山區(qū)地形；湍流；邊界條件

中圖分類(lèi)號(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jìn)行的，例如：山區(qū)地形高含硫輸氣管道環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事故模擬；室內(nèi)空氣對(duì)流的特征與模擬；含硫化氫高壓天然氣管道泄漏的數(shù)值模擬；國(guó)內(nèi)關(guān)于三維模擬的研究和著作相對(duì)較少，不同精度網(wǎng)格對(duì)模擬的影響案例也不是很多，如：暖通空調(diào)風(fēng)管接頭壓力損失數(shù)值的CFD精確模擬，不同地貌起伏狀況下網(wǎng)格尺寸與DEM精度關(guān)系研究；CFD（fluent）在復(fù)雜環(huán)境液化天然氣泄漏的應(yīng)用；系統(tǒng)壓力的數(shù)值研究對(duì)水平圓管中超臨界水流動(dòng)傳熱的影響。本文通過(guò)不同精度網(wǎng)格對(duì)模擬影響的對(duì)比得到最適合的網(wǎng)格精度，這對(duì)以后的數(shù)值模擬具有參考價(jià)值。

1 CFD建模及網(wǎng)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(qū)面積建模，用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，通過(guò)局部加密的方式得到高質(zhì)量的網(wǎng)格，因?yàn)榫W(wǎng)格質(zhì)量會(huì)直接影響到模擬結(jié)果的精度。網(wǎng)格劃分時(shí)采用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，劃分好體網(wǎng)格以后運(yùn)用fluent的網(wǎng)格轉(zhuǎn)化功能轉(zhuǎn)化為多面體網(wǎng)格，大大減少網(wǎng)格的數(shù)目，從而降低模擬時(shí)的運(yùn)算量。模擬之前建立好的不同精度的網(wǎng)格如下：建立Interval Size=70的網(wǎng)格，泄漏孔劃分時(shí)interval size值為0.25，得到總的體網(wǎng)格數(shù)目為1431329個(gè)，也是在有限的計(jì)算機(jī)資源下可以用于硫化氫泄漏試算的最精密的網(wǎng)格，為后面研究網(wǎng)格的精度對(duì)山區(qū)地形氣體泄漏模擬的影響提供基礎(chǔ)的平臺(tái)。Interval Size=80的網(wǎng)格，泄漏孔劃分后只有六個(gè)網(wǎng)格，得到的網(wǎng)格質(zhì)量相對(duì)比較粗糙，體網(wǎng)格的數(shù)目也有所減少。這兩個(gè)都是相對(duì)比較粗糙的網(wǎng)格，但是下面的Interval Size=100的網(wǎng)格體網(wǎng)格數(shù)目更少，泄漏孔附近的網(wǎng)格更加稀疏，這連續(xù)的三個(gè)網(wǎng)格也是用于后面算例的三個(gè)網(wǎng)格，通過(guò)比較模擬結(jié)果得到網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)山區(qū)地形氣體泄漏模擬的影響。

2 邊界條件的設(shè)定

本算例所取地形為普光某氣田的真實(shí)地形數(shù)據(jù)，所以風(fēng)向取當(dāng)?shù)氐淖畲箢l率風(fēng)向（北風(fēng)）。風(fēng)場(chǎng)試算選用的是k-e模型中的Reliable模型，設(shè)定為穩(wěn)態(tài)求解，不可壓氣體。Bottom和presser-inlet都設(shè)定為wall，地面的粗糙厚度設(shè)為0.5m，風(fēng)速、溫度和k、e的值調(diào)用UDF函數(shù)。氣體組分氧氣占23.29%，剩下的是氮?dú)?，其余氣體的組分為0，其他的幾個(gè)面設(shè)為outflow。

氣體泄漏求解模型也是k-e模型，非穩(wěn)態(tài)求解，不可壓縮氣體。Presser-inlet設(shè)定為Mass-flow-inlet。North設(shè)定為速度入口，氣體組分的設(shè)定氧氣占23.29%，氮?dú)庹?6.71%，其余的氣體組分均為0。其他的幾個(gè)面設(shè)定為outflow。

3 模擬數(shù)據(jù)及結(jié)論

把不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)用MATLAB處理，interval size等于70、80和100的三種網(wǎng)格（分別稱為A網(wǎng)格、B網(wǎng)格和C網(wǎng)格），連續(xù)時(shí)間監(jiān)測(cè)得到的數(shù)值繪制的圖形，選用四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，針對(duì)不同的時(shí)間，得到結(jié)果不同時(shí)間的監(jiān)測(cè)點(diǎn)硫化氫濃度圖。（1）比較網(wǎng)格的疏密對(duì)氣體泄漏的影響得到山區(qū)地形氣體泄漏的模擬對(duì)網(wǎng)格具有很大的依賴性。本算例中interval size等于100的網(wǎng)格不適合山區(qū)地形高含硫天然氣泄漏的模擬，網(wǎng)格質(zhì)量太差，以至于得到的結(jié)果偏離實(shí)際值太多；（2）在進(jìn)行網(wǎng)格精度對(duì)氣體泄漏影響的研究時(shí)，受計(jì)算機(jī)資源和計(jì)算時(shí)間的限制，試算中用的網(wǎng)格相比較而言還是比較粗糙，劃分出的更加精密的網(wǎng)格對(duì)試算的影響還有待于更進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 王曉，等.山區(qū)地形高含硫輸氣管道環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事故模擬[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2008，28（1）.

[2] 鄧啟紅.室內(nèi)空氣對(duì)流的特征與模擬[D].湖南大學(xué)，2004.

[3] 胡夏琦.含硫化氫高壓天然氣管道泄漏的數(shù)值模擬

[D].中國(guó)石油大學(xué)，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(wǎng)格尺寸與DEM精度關(guān)系研究[J].水土保持研究，2006，6（3）.

[7] Gavelli，F(xiàn)ilippo，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(guó)明.毒氣泄漏環(huán)境下人員暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

[D].中國(guó)石油大學(xué)（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(chǔ)運(yùn)，2008，27（6）.

[10] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

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

摘要：文章主要探討了實(shí)際山區(qū)地形三維模型所劃分網(wǎng)格的精度對(duì)氣體泄漏模擬結(jié)果的影響。以普光某氣田為例建立三維模型，運(yùn)用數(shù)值模擬和流體力學(xué)的理論，根據(jù)山區(qū)地形風(fēng)場(chǎng)模擬和氣體泄漏模擬的要求，劃分出疏密程度不相同的網(wǎng)格。運(yùn)用fluent軟件，模擬精密網(wǎng)格和粗糙網(wǎng)格對(duì)山區(qū)地形風(fēng)場(chǎng)試算和氣體泄漏結(jié)果的影響，得到山區(qū)地形氣體泄漏的模擬對(duì)網(wǎng)格具有很大依賴性的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：CFD；網(wǎng)格；網(wǎng)格精度；山區(qū)地形；湍流；邊界條件

中圖分類(lèi)號(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jìn)行的，例如：山區(qū)地形高含硫輸氣管道環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事故模擬；室內(nèi)空氣對(duì)流的特征與模擬；含硫化氫高壓天然氣管道泄漏的數(shù)值模擬；國(guó)內(nèi)關(guān)于三維模擬的研究和著作相對(duì)較少，不同精度網(wǎng)格對(duì)模擬的影響案例也不是很多，如：暖通空調(diào)風(fēng)管接頭壓力損失數(shù)值的CFD精確模擬，不同地貌起伏狀況下網(wǎng)格尺寸與DEM精度關(guān)系研究；CFD（fluent）在復(fù)雜環(huán)境液化天然氣泄漏的應(yīng)用；系統(tǒng)壓力的數(shù)值研究對(duì)水平圓管中超臨界水流動(dòng)傳熱的影響。本文通過(guò)不同精度網(wǎng)格對(duì)模擬影響的對(duì)比得到最適合的網(wǎng)格精度，這對(duì)以后的數(shù)值模擬具有參考價(jià)值。

1 CFD建模及網(wǎng)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(qū)面積建模，用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，通過(guò)局部加密的方式得到高質(zhì)量的網(wǎng)格，因?yàn)榫W(wǎng)格質(zhì)量會(huì)直接影響到模擬結(jié)果的精度。網(wǎng)格劃分時(shí)采用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，劃分好體網(wǎng)格以后運(yùn)用fluent的網(wǎng)格轉(zhuǎn)化功能轉(zhuǎn)化為多面體網(wǎng)格，大大減少網(wǎng)格的數(shù)目，從而降低模擬時(shí)的運(yùn)算量。模擬之前建立好的不同精度的網(wǎng)格如下：建立Interval Size=70的網(wǎng)格，泄漏孔劃分時(shí)interval size值為0.25，得到總的體網(wǎng)格數(shù)目為1431329個(gè)，也是在有限的計(jì)算機(jī)資源下可以用于硫化氫泄漏試算的最精密的網(wǎng)格，為后面研究網(wǎng)格的精度對(duì)山區(qū)地形氣體泄漏模擬的影響提供基礎(chǔ)的平臺(tái)。Interval Size=80的網(wǎng)格，泄漏孔劃分后只有六個(gè)網(wǎng)格，得到的網(wǎng)格質(zhì)量相對(duì)比較粗糙，體網(wǎng)格的數(shù)目也有所減少。這兩個(gè)都是相對(duì)比較粗糙的網(wǎng)格，但是下面的Interval Size=100的網(wǎng)格體網(wǎng)格數(shù)目更少，泄漏孔附近的網(wǎng)格更加稀疏，這連續(xù)的三個(gè)網(wǎng)格也是用于后面算例的三個(gè)網(wǎng)格，通過(guò)比較模擬結(jié)果得到網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)山區(qū)地形氣體泄漏模擬的影響。

2 邊界條件的設(shè)定

本算例所取地形為普光某氣田的真實(shí)地形數(shù)據(jù)，所以風(fēng)向取當(dāng)?shù)氐淖畲箢l率風(fēng)向（北風(fēng)）。風(fēng)場(chǎng)試算選用的是k-e模型中的Reliable模型，設(shè)定為穩(wěn)態(tài)求解，不可壓氣體。Bottom和presser-inlet都設(shè)定為wall，地面的粗糙厚度設(shè)為0.5m，風(fēng)速、溫度和k、e的值調(diào)用UDF函數(shù)。氣體組分氧氣占23.29%，剩下的是氮?dú)?，其余氣體的組分為0，其他的幾個(gè)面設(shè)為outflow。

氣體泄漏求解模型也是k-e模型，非穩(wěn)態(tài)求解，不可壓縮氣體。Presser-inlet設(shè)定為Mass-flow-inlet。North設(shè)定為速度入口，氣體組分的設(shè)定氧氣占23.29%，氮?dú)庹?6.71%，其余的氣體組分均為0。其他的幾個(gè)面設(shè)定為outflow。

3 模擬數(shù)據(jù)及結(jié)論

把不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)用MATLAB處理，interval size等于70、80和100的三種網(wǎng)格（分別稱為A網(wǎng)格、B網(wǎng)格和C網(wǎng)格），連續(xù)時(shí)間監(jiān)測(cè)得到的數(shù)值繪制的圖形，選用四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，針對(duì)不同的時(shí)間，得到結(jié)果不同時(shí)間的監(jiān)測(cè)點(diǎn)硫化氫濃度圖。（1）比較網(wǎng)格的疏密對(duì)氣體泄漏的影響得到山區(qū)地形氣體泄漏的模擬對(duì)網(wǎng)格具有很大的依賴性。本算例中interval size等于100的網(wǎng)格不適合山區(qū)地形高含硫天然氣泄漏的模擬，網(wǎng)格質(zhì)量太差，以至于得到的結(jié)果偏離實(shí)際值太多；（2）在進(jìn)行網(wǎng)格精度對(duì)氣體泄漏影響的研究時(shí)，受計(jì)算機(jī)資源和計(jì)算時(shí)間的限制，試算中用的網(wǎng)格相比較而言還是比較粗糙，劃分出的更加精密的網(wǎng)格對(duì)試算的影響還有待于更進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 王曉，等.山區(qū)地形高含硫輸氣管道環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事故模擬[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2008，28（1）.

[2] 鄧啟紅.室內(nèi)空氣對(duì)流的特征與模擬[D].湖南大學(xué)，2004.

[3] 胡夏琦.含硫化氫高壓天然氣管道泄漏的數(shù)值模擬

[D].中國(guó)石油大學(xué)，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(wǎng)格尺寸與DEM精度關(guān)系研究[J].水土保持研究，2006，6（3）.

[7] Gavelli，F(xiàn)ilippo，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(guó)明.毒氣泄漏環(huán)境下人員暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

[D].中國(guó)石油大學(xué)（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(chǔ)運(yùn)，2008，27（6）.

[10] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

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

摘要：文章主要探討了實(shí)際山區(qū)地形三維模型所劃分網(wǎng)格的精度對(duì)氣體泄漏模擬結(jié)果的影響。以普光某氣田為例建立三維模型，運(yùn)用數(shù)值模擬和流體力學(xué)的理論，根據(jù)山區(qū)地形風(fēng)場(chǎng)模擬和氣體泄漏模擬的要求，劃分出疏密程度不相同的網(wǎng)格。運(yùn)用fluent軟件，模擬精密網(wǎng)格和粗糙網(wǎng)格對(duì)山區(qū)地形風(fēng)場(chǎng)試算和氣體泄漏結(jié)果的影響，得到山區(qū)地形氣體泄漏的模擬對(duì)網(wǎng)格具有很大依賴性的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：CFD；網(wǎng)格；網(wǎng)格精度；山區(qū)地形；湍流；邊界條件

中圖分類(lèi)號(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jìn)行的，例如：山區(qū)地形高含硫輸氣管道環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事故模擬；室內(nèi)空氣對(duì)流的特征與模擬；含硫化氫高壓天然氣管道泄漏的數(shù)值模擬；國(guó)內(nèi)關(guān)于三維模擬的研究和著作相對(duì)較少，不同精度網(wǎng)格對(duì)模擬的影響案例也不是很多，如：暖通空調(diào)風(fēng)管接頭壓力損失數(shù)值的CFD精確模擬，不同地貌起伏狀況下網(wǎng)格尺寸與DEM精度關(guān)系研究；CFD（fluent）在復(fù)雜環(huán)境液化天然氣泄漏的應(yīng)用；系統(tǒng)壓力的數(shù)值研究對(duì)水平圓管中超臨界水流動(dòng)傳熱的影響。本文通過(guò)不同精度網(wǎng)格對(duì)模擬影響的對(duì)比得到最適合的網(wǎng)格精度，這對(duì)以后的數(shù)值模擬具有參考價(jià)值。

1 CFD建模及網(wǎng)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(qū)面積建模，用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，通過(guò)局部加密的方式得到高質(zhì)量的網(wǎng)格，因?yàn)榫W(wǎng)格質(zhì)量會(huì)直接影響到模擬結(jié)果的精度。網(wǎng)格劃分時(shí)采用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，劃分好體網(wǎng)格以后運(yùn)用fluent的網(wǎng)格轉(zhuǎn)化功能轉(zhuǎn)化為多面體網(wǎng)格，大大減少網(wǎng)格的數(shù)目，從而降低模擬時(shí)的運(yùn)算量。模擬之前建立好的不同精度的網(wǎng)格如下：建立Interval Size=70的網(wǎng)格，泄漏孔劃分時(shí)interval size值為0.25，得到總的體網(wǎng)格數(shù)目為1431329個(gè)，也是在有限的計(jì)算機(jī)資源下可以用于硫化氫泄漏試算的最精密的網(wǎng)格，為后面研究網(wǎng)格的精度對(duì)山區(qū)地形氣體泄漏模擬的影響提供基礎(chǔ)的平臺(tái)。Interval Size=80的網(wǎng)格，泄漏孔劃分后只有六個(gè)網(wǎng)格，得到的網(wǎng)格質(zhì)量相對(duì)比較粗糙，體網(wǎng)格的數(shù)目也有所減少。這兩個(gè)都是相對(duì)比較粗糙的網(wǎng)格，但是下面的Interval Size=100的網(wǎng)格體網(wǎng)格數(shù)目更少，泄漏孔附近的網(wǎng)格更加稀疏，這連續(xù)的三個(gè)網(wǎng)格也是用于后面算例的三個(gè)網(wǎng)格，通過(guò)比較模擬結(jié)果得到網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)山區(qū)地形氣體泄漏模擬的影響。

2 邊界條件的設(shè)定

本算例所取地形為普光某氣田的真實(shí)地形數(shù)據(jù)，所以風(fēng)向取當(dāng)?shù)氐淖畲箢l率風(fēng)向（北風(fēng)）。風(fēng)場(chǎng)試算選用的是k-e模型中的Reliable模型，設(shè)定為穩(wěn)態(tài)求解，不可壓氣體。Bottom和presser-inlet都設(shè)定為wall，地面的粗糙厚度設(shè)為0.5m，風(fēng)速、溫度和k、e的值調(diào)用UDF函數(shù)。氣體組分氧氣占23.29%，剩下的是氮?dú)?，其余氣體的組分為0，其他的幾個(gè)面設(shè)為outflow。

氣體泄漏求解模型也是k-e模型，非穩(wěn)態(tài)求解，不可壓縮氣體。Presser-inlet設(shè)定為Mass-flow-inlet。North設(shè)定為速度入口，氣體組分的設(shè)定氧氣占23.29%，氮?dú)庹?6.71%，其余的氣體組分均為0。其他的幾個(gè)面設(shè)定為outflow。

3 模擬數(shù)據(jù)及結(jié)論

把不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)用MATLAB處理，interval size等于70、80和100的三種網(wǎng)格（分別稱為A網(wǎng)格、B網(wǎng)格和C網(wǎng)格），連續(xù)時(shí)間監(jiān)測(cè)得到的數(shù)值繪制的圖形，選用四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，針對(duì)不同的時(shí)間，得到結(jié)果不同時(shí)間的監(jiān)測(cè)點(diǎn)硫化氫濃度圖。（1）比較網(wǎng)格的疏密對(duì)氣體泄漏的影響得到山區(qū)地形氣體泄漏的模擬對(duì)網(wǎng)格具有很大的依賴性。本算例中interval size等于100的網(wǎng)格不適合山區(qū)地形高含硫天然氣泄漏的模擬，網(wǎng)格質(zhì)量太差，以至于得到的結(jié)果偏離實(shí)際值太多；（2）在進(jìn)行網(wǎng)格精度對(duì)氣體泄漏影響的研究時(shí)，受計(jì)算機(jī)資源和計(jì)算時(shí)間的限制，試算中用的網(wǎng)格相比較而言還是比較粗糙，劃分出的更加精密的網(wǎng)格對(duì)試算的影響還有待于更進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 王曉，等.山區(qū)地形高含硫輸氣管道環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事故模擬[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2008，28（1）.

[2] 鄧啟紅.室內(nèi)空氣對(duì)流的特征與模擬[D].湖南大學(xué)，2004.

[3] 胡夏琦.含硫化氫高壓天然氣管道泄漏的數(shù)值模擬

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