一种全场域尺度下多元气体爆炸泄放特性数值模拟方法

技术领域

本发明属于气体爆炸模拟技术领域，具体涉及一种全场域尺度下多元气体爆炸泄放特性数值模拟方法。

背景技术

在可燃气体的生产、储存、运输和使用等过程中，由于人为因素或其他不可预测的原因，均有可能引发爆炸事故，从而造成严重的人员伤亡和财产损失。而爆炸泄放是降低爆炸风险的一种有效措施之一，为探究爆炸泄放过程中的动态耦合压演化过程，国内外均开展了多种气体爆炸相关研究，但都是基于搭设模拟平台，而非数值模拟的研究方法，导致成本高，气体爆炸瞬间泄放特性相关的数值精确度低，即使针对气体爆炸进行数值模拟，也并没有完整的体系，对于模拟的初始参数设置也并不完善，导致目前无法对气体爆炸泄放进行完整精准度高的数值模拟。

而且针对爆炸的数值模拟研究大多为密闭空间中的爆炸特性研究，但对爆炸泄放整个动态过程的数值模拟研究大多基于一种气体，且反应机理过于简单，对于最大受控爆炸压力模拟过程中的关键参数模糊不清，无法对多元气体爆炸泄放模拟过程更准确的掌握。

发明内容

本发明旨在提供一种全场域尺度下多元气体爆炸泄放特性数值模拟方法，具有多元气体爆炸泄放数值模拟精准度高，数值模拟成本低的特点，解决目前只能对单一气体爆炸进行泄放模拟，且气体爆炸泄放数值模拟精准度低，成本高的问题。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种全场域尺度下多元气体爆炸泄放特性数值模拟方法，包括以下步骤：

步骤S1、根据所需物理模型的形状和大小，构建等比例物理模型，并进行网格结构化划分、流体域划分和边界及初始条件的初始设置；

步骤S2、进行流体域边界及初始条件计算设置，进行网格独立性检验，选取若干测点作为网格独立性检验参数，并从第二组流体域开始增加网格密度，当新的加密网格方案下计算结果与前一组网格方案下计算结果的相对变化率小于5％时，认为网格独立性得到验证，并选用此时的网格划分方案；

步骤S3、导入UDF边界条件控制程序，并借助程序设置泄压口静态开启压力，打开瞬态环境，开启能量方程、P1辐射模型、k-ε模型和组分运输模型，导入UC San Diego反应机理；

步骤S4、控制爆炸泄压口的边界条件，完善边界条件设定，在计算域内设置监测点，设置反应物生成物混合组分，设置点火位置、半径、能量和时长，初始化流体域初始条件后根据需求设置模拟时间和步长，然后开始模拟；

步骤S5、模拟结束后采用软件进行数据分析；截取数值模拟的瞬态过程，查看火焰温度和/或爆炸超压的传播情况，提取间隔相等时间段的温度云图，编程语言处理火焰图片，提取精确的火焰传播速度变化情况；处理数据并查看爆炸超压参数随时间的变化情况。

作为上述方案的优选，所述步骤S1中，采用Gambit构建等比例物理模型，该模型为半径160mm～621mm的球体和包含球体且尺寸长3m～4m、宽1m～1.5m的长方体，所述球体设有圆形且半径为20mm～60mm的泄压口，所述球体内采用三角形的结构化网格，长方体采用四边形非结构化网格，可根据泄放条件的不同设位置尺寸不一样的泄压口，设计尺寸范围合理，适用范围广，模拟灵活性强；采用Gambit软件进行整个流体域的划分，球体内设置为内场流体域，球体外设置为外场流体域；采用Gambit软件进行边界条件的初步设置，将外场边界全部设置为自由场边界，内场边界除了泄压口设置为网格，其余边界设置为Wall。

进一步优选为，所述步骤S2中，将建立好的物理模型导入Fluent进行计算设置，导入后调节比例尺，确保物理模型的尺寸大小与实际尺寸一致，检查网格质量；在球体内、球体外分别选取1个和4个测点作为网格独立性检验参数，测点位于球体内外，精确性高，通过各测点的最大爆炸超压进行对比，得到新一组网格方案计算结果与前一组网格方案下计算结果的相对变化率，验证网格独立性，从而爆炸网格数量的最优解，方便后续模拟的稳定性。

进一步优选为，所述步骤S3中，打开在Fluent中的瞬态环境，再开启能量方程和P1辐射模型，选择RNG k-ε湍流模型的同时打开组分运输模型，选择一种混合物质并对该混合物质的成分进行更改，之后导入UC San Diego反应机理文件，UC San Diego反应机理文件可根据反应气体的不同进行更改，灵活性强，可以根据需要选取不同组分的气体混合物，适用多元气体环境；同时选择有限速率化学反应模型进行计算，计算方式合理。

进一步优选为，所述步骤S4中，在计算域内任意位置设置关于瞬时温度、相对与绝对压力、各组分的摩尔浓度参数的变化情况监测点，并根据监测数据的不同进行分组，填写out数据文件的保存位置和文件名，和data、case数据文件的自动保存，方便进行后续数据处理。

进一步优选为，所述步骤S4中，采用Spark ignition进行点火位置、半径、能量和时长的设置，初始化流体域是对流体域内部气体组分的初始温度、初始压力参数的设置，从而进行系统全面的数值模拟，提高模拟的真实性。

进一步优选为，所述步骤S4中，在UDF程序的控制下，当泄压口处压力达到静态开启压力时，计算会停止，然后将泄压口处的边界条件更改为Internal，同时在组分运输模型中将有限速率化学反应模型更改为有限速率/涡耗散模型继续进行求解，从而对球体内外均进行求解，全面完整得到球体内外的爆炸泄放数值。

进一步优选为，所述步骤S5中，模拟结束后，利用CFD-Post、Origin和Matlab软件对自动保存的data、case和监测点记录的out文件进行数据分析，采用CFD-post、origin软件和Matlab代码处理计算数据，可以更加准确的分析爆炸泄放过程中的流场-火焰-超压的耦合作用关系，以及爆炸泄放过程中各种爆炸泄放参数；在CFD-Post中截取数值模拟的瞬态过程，查看火焰温度或/和爆炸超压的传播情况，提取间隔相等时间段的温度云图，放在同一个文件夹下并按顺序命名，通过Matlab编程语言处理火焰图片，将out文件导入Origin软件中，对Fluent中计算完毕的数据进行处理，查看爆炸超压参数随时间的变化情况，数据分析完整全面，能从多角度进行数据分析，精准度高。

本发明的有益效果：

(1)采用UC San Diego反应机理，基于有限速率模型和有限速率/涡耗散模型进行求解，能对球体内外的爆炸泄放情况进行全面系统的模拟，采用软件进行数据分析，分析全面，数值精准；对于人们制定相关法律法规、行业标准、更好地对该掺混气体进行爆炸防控、助力事故调查及时空反演，具有十分重要的现实意义。

(2)相比于搭设现实的实验装置，采用数值模拟明显造价低，操作更方便，使用更灵活，可以随意调整气体混合组分，从而精准了解多元气体爆炸泄放特性，而不是局限于单一气体，使用范围广，灵活性高。

(3)导入UDF边界条件控制程序，是专为多元气体爆炸泄放特性数值模拟设置泄压口静态开启压力而设计的程序，UC San Diego反应机理是对目前气体反应机理的整合，为了提高整个模拟的精准度，精简不必要的流程，结合能量方程、P1辐射模型、k-ε模型和组分运输模型能充分模拟现实中的气体爆炸情况。

(4)最后采用软件进行数据分析，从而得到数值模拟的瞬态过程，火焰温度和/或爆炸超压的传播情况，间隔相等时间段的温度云图，精确的火焰传播速度变化情况以及爆炸超压参数随时间的变化情况，能全面系统的了解多元气体爆炸情况，多角度多方位了解爆炸参数，数据分析完整全面，精准度高。

综上所述，具有数据分析、分析全面、数值精准、不局限于单一气体、使用范围广、灵活性等优点。

附图说明

图1为全场域尺度下多元气体爆炸泄放特性数值模拟方法示意图。

图2为几何模型示意图。

图3为几何模型网格划分及独立性检验示意图(a.网格划分；b.网格独立性检验)。

图4为测点的瞬时超压曲线图。

图5为测点的瞬时温度曲线图。

图6为火焰形状动态演化图。

图7为爆炸冲击波传播速度的轴向演化示意图。

图8为火焰传播速度的轴向演化示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

结合图1—图8所示，一种全场域尺度下多元气体爆炸泄放特性数值模拟方法，具体实施步骤如下：

步骤S1、根据所需物理模型的形状和大小，构建等比例物理模型，并进行网格结构化划分、流体域划分和边界及初始条件的初始设置。

步骤S1中，采用Gambit构建等比例物理模型，该模型为半径160mm～621mm的球体和包含球体且尺寸长3m～4m、宽1m～1.5m的长方体。

球体设有圆形且优选半径为20mm～60mm的泄压口。

球体内采用三角形的结构化网格，长方体采用四边形非结构化网格。

采用Gambit软件进行整个流体域的划分，球体内设置为内场流体域，球体外设置为外场流体域。

采用Gambit软件进行边界条件的初步设置，将外场边界全部设置为自由场边界，内场边界除了泄压口设置为网格，其余边界设置为Wall。

后将文件导出为Mesh文件，分别四种网格方案分别命名为A、B、C、D。

步骤S2、进行流体域边界条件计算设置，进行网格独立性检验，选取若干测点作为网格独立性检验参数，并从第二组流体域开始增加网格密度，当新的加密网格方案下计算结果与前一组网格方案下计算结果的相对变化率小于5％时，认为网格独立性得到验证，并选用此时的网格划分方案。

在球体内、球体外分别选取1个和4个测点作为网格独立性检验参数，通过各测点的最大爆炸超压进行对比，得到新一组网格方案计算结果与前一组网格方案下计算结果的相对变化率，验证网格独立性。

泄压口越小，泄压口处形成的扰动越复杂，对网格质量要求越高，因此本文仅选取泄压口最小的几何模型进行网格独立性检验。

为了确保计算的准确性，设计了4种网格方案，具体参数如下表所示。显示在不同网格划分方案下，泄压口外各测点的最大爆炸超压("P"_"max"^("P"_"n"))。

随着Mesh 1-4网格数量的增加，各测点的最大爆炸超压("P"_"max"^("P"_"n"))变化率降低，同时考虑到计算速度和计算精度，选取Mesh 3作为计算网格，如网格划分示意图所示，共划分1164060个网格，最大EquiSize Skew值为0.07，且在20L球内和球外的连接处设置长0.7m、宽0.5m的过渡网格，以物理的方法提高数值模拟的准确性，满足计算要求。

步骤S2中，将建立好的物理模型导入Fluent进行计算设置，也就是导入A、B、C、D四种网格方案，导入后调节比例尺，确保物理模型的尺寸大小与实际尺寸一致，检查网格质量。

步骤S3、导入UDF边界条件控制程序，并借助程序设置泄压口静态开启压力，打开瞬态环境，开启能量方程、P1辐射模型、k-ε模型和组分运输模型，导入UC San Diego反应机理。

步骤S3中，打开在Fluent中的瞬态环境，再开启能量方程和P1辐射模型，选择RNGk-ε湍流模型的同时打开组分运输模型，选择一种混合物质并对该混合物质的成分进行更改，同时将Density更改为ideal-gas。

之后导入UC San Diego反应机理文件；同时选择有限速率化学反应模型进行计算。

步骤S4、控制爆炸泄压口的边界条件，完善边界及初始条件设定，在计算域内设置监测点，设置反应物生成物混合组分，设置点火位置、半径、能量和时长，初始化流体域初始条件后根据需求设置模拟时间和步长，然后开始模拟。

步骤S4中，在Fluent面板中选择User-Define，并点击Compiled UDFs对UDF进行编译，在Add页面选择UDF路径并导入，在User-Defined Scalars中输入“静态开启压力”，执行UDF，最后在边界条件设置页面进行泄压口边界条件的补充设置。

在计算域内任意位置设置关于瞬时温度、相对与绝对压力、各组分的摩尔浓度参数的变化情况监测点，并根据监测数据的不同进行分组，填写out数据文件的保存位置和文件名和data、case数据文件的自动保存。

步骤S4中，采用Spark ignition进行点火位置、半径、能量和时长的设置，初始化流体域是对流体域内部气体组分的初始温度、初始压力参数的设置。

步骤S4中，在UDF程序的控制下，当泄压口处压力达到静态开启压力时，计算会停止，然后将泄压口处的边界条件更改为Internal，同时在组分运输模型中将有限速率化学反应模型更改为有限速率/涡耗散模型继续进行求解。

步骤S5、模拟结束后采用软件进行数据分析；截取数值模拟的瞬态过程，查看火焰温度和/或爆炸超压的传播情况，提取间隔相等时间段的温度云图，编程语言处理火焰图片，提取精确的火焰传播速度变化情况；处理数据并查看爆炸超压参数随时间的变化情况。

步骤S5中，模拟结束后，利用CFD-Post、Origin和Matlab软件对自动保存的data、case和监测点记录的out文件进行数据分析，在CFD-Post中截取数值模拟的瞬态过程，查看火焰温度或/和爆炸超压的传播情况，提取间隔相等时间段的温度云图，放在同一个文件夹下并按顺序命名，通过Matlab编程语言处理火焰图片。

Matlab编程语言能提取精确的火焰传播速度变化情况；将out文件导入Origin软件中，对Fluent中计算完毕的数据进行处理，查看爆炸超压参数随时间的变化情况。