密闭受限空间可燃气体爆炸特性数值模拟研究

密闭受限空间中可燃气体的爆炸研究对于石油及天然气工业的安全生产具有重要意义.以RNG湍流模型及EBU-Arrehnius燃烧模型为基础,建立了可燃气体单步化学反应湍流爆炸模型,以有限体积法求解爆炸流动及反应控制方程,从而对二维受限空间中可燃气体爆炸的过程及规律进行了数值模拟,模拟结果与实验数据有着较好的吻合性.所做的工作为受限空间中可燃气体爆炸特性及规律的进一步研究及工业防爆抑爆技术的工艺实施、系统设计和关键参数计算提供了理论依据.     

T型分支管道内油气爆炸火焰传播特性数值模拟研究

根据受限空间内油气爆炸特性,基于RNGk-ε湍流模型、Finite-Rate/Eddy-Dissipation化学反应模型和相应的控制方程,采用SIMPLE算法对T型分支管道内油气爆炸发生与发展过程进行了数值模拟。基于数值模拟结果分析了T型分支管道内火焰传播形态变化特征和火焰速度传播特性,并将仿真结果和实验结果进行了对比,发现仿真结果与实验结果吻合良好,表明建立的油气爆炸仿真计算模型可以较好反映管道内油气爆炸火焰传播特性。     

液化天然气泄漏扩散模型比较

重气扩散的SLAB、DEGADIS和Fluent模型被应用于LNG泄漏扩散实验的模拟过程中,以Coyote3和5为例,对各模型模拟的体积分数随时间的变化与实验值进行了对比,结果表明Fluent模拟的结果最为接近实验值,SLAB模拟结果次之,由于模拟假设风速和风向不变致使模拟结果没有实验结果所存在的频繁波动。文中最后对各模型的统计误差FB,MG,VG,MRSE,NMSE以及FAC2进行了计算,分析结果表明三类模型模拟的结果与实验值一致,但结果都偏高,相比较而言,Fluent的结果更准确。     

受限空间内粉尘流动的浓度分布模型及其数值模拟

受限空间内颗粒的流动规律对研究颗粒输送和净化等有很大的作用,在其基础上运用气固两相流动理论中的欧拉-拉格朗日离散相模型和湍流等模型,并以该模型为基础,采用计算流体力学的软件,以通风管道为例,对受限空间内粉尘浓度分布规律进行数值模拟。分析和讨论气体风速、管径的变化对通风管道内浓度分布的影响,同时对管道后底部附近的直线和点处浓度随进口风速变化进行模拟和监测。通过结果和对比表明该模拟较好地体现了粉尘等颗粒在管道等受限空间实际情况,具有重要的参考和借鉴作用。     

街道峡谷中汽车排放的CO气体扩散特性的数值模拟

为了研究平行街道中汽车排放的污染气体扩散特性,本文采用RNG k-ε湍流模型和污染气体扩散方程对几种不同结构的平行街道进行了二维数值模拟,得到了峡谷内的流场和质量浓度场分布.结果表明,与单个街道峡谷相比,平行街道内污染气体扩散特性有很大不同,通过增加街道单侧建筑物的高度,可使污染气体容易扩散,减少污染气体在峡谷中的聚集.     

局部扰动对主坑道爆炸波发展的数值模拟与实验研究

在地下建筑物,如隧道、地下储油库、人防工程、地下物资仓库等里面,由主通道旁结分支通道是最常见的一种布置形式,是一种典型的复杂受限空间结构.一旦有可燃气体发生爆炸燃烧,爆炸压力波和火焰的传播将受众多因素的影响,其中局部扰动的影响是主要因素之一.本文通过实验和数值模拟的方法研究了油气混合物在该复杂受限空间中由弱点火引起爆炸燃烧的发展过程,湍流强度经旁接分支坑道后在主通道中的变化,以及爆炸压力波和火焰经局部扰动后的变化过程;并将数值模拟结果与实验结果进行了对比和综合分析,得到了与地下受限空间安全相关的重要结论.湍流强度是复杂受限空间中可燃气体爆炸燃烧发展过程的主要影响因素之一,局部扰动将增强爆炸流场的湍流强度,加速燃烧化学反应,能量的释放量和速率大大提高.这些能量的快速加入促进了高峰值压力波的形成,火焰也被加速,爆炸从此由弱转强,出现跃升.研究结果对地下受限空间爆炸过程的进一步研究以及爆炸灾害的预防都有参考价值.     

管道结构对氢/空预混气体爆炸特性影响研究*

为研究管道结构对氢-空预混气体爆炸特性影响,采用实验与数值模拟相结合的方法,分析不同管道结构内氢-空预混气体燃爆时火焰传播进程、爆炸压力、湍流动能变化及流场分布。结果表明:90°弯管对氢-空预混气体爆炸强度增强作用明显高于T型分岔管和直管。火焰阵面在结构突变处褶皱变形较明显,并出现大尺度强湍流和涡团,气团脉动速度与湍流燃烧速率不断增大,氢-空预混气体质量扩散速率与热量扩散速率增大,湍流动能呈迅速上升趋势。     

基于实验与仿真的三维水下气体泄漏预测与安全评估研究

水下气体羽流特性是海底气体泄漏风险评估的重要基础。为准确预测水下气体羽流行为，基于计算流体动力学(CFD)方法，建立1种考虑气体卷吸湍流特性的三维水下气体羽流数值预测模型；采用欧拉-欧拉流体体积模型捕捉气液作用界面，以大涡模拟(LES)方式预测羽流上浮及卷吸过程中的湍流特性，从而实现对水下气体羽流行为的预测；搭建小尺度实验平台，对比仿真与实验条件下的气体羽流形态，验证数值模型的可行性及预测精度；应用建立的数值模型对工程条件下的水下气体泄漏事故进行预测和评估，以某浅层气井喷事故为例，评估水下气体羽流上浮时间、海面影响范围和涌流高度。结果表明:基于欧拉多相流与大涡模拟的数值模型对水下气体羽流预测结果与实验具有较好的吻合度，该模型能够较好捕捉羽流的湍流特性，可为水下气体泄漏羽流行为评估提供参考。     

重气瞬时泄漏扩散的湍流模型验证

重气瞬时泄漏扩散研究对于保障公共安全等具有重要意义,数值模拟已经成为重要的研究手段之一,但湍流模型对重气扩散模拟的影响还需进一步探讨。本文利用CFD软件对英国健康和安全执行局(HSE)开展的氟利昂12场地扩散实验进行了模拟,分析了在相同边界和初始条件设置下2种不同进口湍流条件和3种不同湍流两方程模型Standard k-ε、Realizable k-ε、RNG k-ε对扩散介质浓度分布的影响,结果表明湍流初始边界对于模拟结果影响不大,而采用Realizablek-ε模型的模拟结果与实际情况更接近。     

航天发射场液体推进剂的泄漏扩散模型研究

为了实现对有毒推进剂泄漏扩散浓度的快速估算，对液体推进剂偏二甲肼在发射场泄漏蒸发扩散的实际情况进行理论分析，建立扩散模型，并从泄漏源、沉积效应、地面反射、大气稳定度等方面对扩散模型进行完善；应用数值模拟方法进行仿真，将数值模拟结果与实验数据、理论计算结果进行对比分析。研究结果表明:气体扩散模型与数值模拟及实验结果基本一致，但扩散模型计算结果偏小，这是由于推进剂进行了燃烧和氧化反应，扩散区域温度上升，大气稳定度降低，实际浓度更大。     

Experimental and numerical study of CO2 plume diffusion in a confined space

In this paper, heavy gas diffusion in a confined space has been investigated. The effects of barrier and source intensity on CO₂ diffusion are explored by the small-scale experiments and computational fluid dynamics (CFD) methods. Six different turbulence models are selected to predict the gas concentrations. By comparing these experimental values with the simulated ones, it is found that all models can effectively predict the concentration variation with time, and SST k-ω model is most close to the ideal model compared with others. Three source-barrier distances and three CO₂ flow rates have been set up for the study. In this confined space, the main flow is concentrated in the region near the ground. The existence of barriers in the space will have a dilution effect on the high-concentration plume near the ground of the near-source area and a barrier effect on the low-concentration plume in the far-source area. The changes in source intensity have notable impact on the gas concentrations. This study can provide an experimental basis for the risk assessment in the confined spaces, as well as an experimental and data reference for large-scale CFD simulations.     

基于OpenFOAM的综合管廊舱内燃气泄漏扩散数值模拟

为实现综合管廊燃气泄漏扩散的精确高效模拟分析，进而为综合管廊燃气泄漏事故的安全防控提供技术支撑，利用OpenFOAM对城市地下综合管廊舱内燃气泄漏扩散进行数值建模计算，研究分析通风受限空间内的燃气泄漏扩散规律，并结合对应急响应时间的分析验证了通风策略的有效性。研究结果表明:气体射流作用与浮升力作用是影响综合管廊燃气泄漏扩散浓度分布的重要因素，采取合理的通风措施可有效加速燃气的流动与扩散，缩短燃气泄漏报警响应时间，有利于燃气泄漏事故应急决策与应急救援的快速实施。     

大气土壤耦合的埋地燃气管道泄漏扩散数值分析

为了研究埋地燃气管道泄漏燃气在非稳态泄漏条件下的扩散行为，基于燃气管道非稳态泄漏大孔模型，应用CFD分别求解土壤和大气扩散方程，通过丙烷地面扩散通量耦合了土壤和大气环境，进行了泄漏扩散的数值模拟，所得模拟计算结果与地上泄漏扩散数值模拟结果进行了对比分析。研究结果表明:耦合模拟条件下，风速仍是影响丙烷扩散距离和高度的主要因素；温度和相对湿度对丙烷扩散有相对较小的影响；与埋地泄漏相比，不同条件下地上泄漏的扩散距离和扩散高度均有误差，水平扩散距离误差普遍较大，扩散高度个别情况下误差较大；地上泄漏条件下的模拟结果数值偏大，对事故的预测和评估准确性会产生显著影响。     

湍流模型和壁面函数对有障碍半开口空间氢气燃烧模拟的影响

为了进一步验证有障碍半开口空间内氢气燃烧数值模拟的准确性，使用对比验证的方法对FLUENT软件湍流模型和壁面函数数值模拟结果的准确性进行了研究。研究结果表明:可实现k-ε湍流模型和非平衡壁面函数使燃烧压力和火焰形状与实验结果相比偏差较大，RNG k-ε湍流模型和可伸缩壁面函数可更准确地预测燃烧压力变化及火焰传播行为。     

埋地管道泄漏天然气在分层填筑土壤扩散数值模拟研究

城市埋地天然气管道发生泄漏不易被发现,并易产生爆炸、火灾、中毒等次生事故,针对低压埋地天然气管道施工分层填筑与不分层填筑的两种情况建立模型,依据多孔介质模型修正后的基本控制方程,采用FLUENT组分运输模型、RNG k-ε湍流模型,对管道沟渠分层填筑与不分层填筑气体泄漏扩散情况进行数值模拟。根据仿真土壤含气摩尔量划分三个浓度区域进行分析,分层填筑土壤分界处砂土含气量达到低浓度的时间较快约为60 s,12 min可以达到高浓度区域。两种材质交界面处,高浓度气体扩散存在延迟,中浓度和低浓度气体扩散在交界面处扩散曲线有明显拐点,进入到上层土壤材料后扩散速率加快,不分层填筑模型扩散速率没有明显改变。     

天然气管道泄漏爆炸实验分析

天然气管道失效造成泄漏爆炸给周围人员带来非常严重的危害,对其危害范围的研究对输气管道设计和运行具有重要的意义。常见的天然气管道泄漏爆炸伤害半径计算方法有蒸气云爆炸(VCE)定量评价模型、TNO多能法评价模型、API pub 581定量后果评价模型和炸药爆炸经验公式。为验证不同评价模型在受限空间的预测效果,利用天然气爆炸试验台进行了受限空间爆炸实验,得到最大压强与距离经验关系,计算出天然气浓度为7%、9%和11%情况下爆炸死亡半径。计算结果与不同经验模型预测结果比较,表明当天然气浓度为7%~11%时,蒸气云爆炸(VCE)定量评价模型和炸药爆炸经验模型与实验结果最为接近,误差分别为-113%和189%,TNO多能法评价模型和API pub 581定量后果评价模型预测结果偏小。结论对有限空间天然气管道爆炸研究具有实际意义。