氣體泄漏擴散規(guī)律驗證實驗平臺開發(fā)

章 博，崔夢波，李 營，李穆霞

（中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院，山東青島 266580）

0 引言

在石油化工安全工程實踐中，亦常涉及危險氣體泄漏擴散后果的定量評估問題［1-2］。在課程體系中引入氣體泄漏擴散規(guī)律及有關(guān)計算分析軟件的內(nèi)容，將有利于達到本科生的培養(yǎng)目標(biāo)。為此，在安全技術(shù)綜合實驗課程中，開發(fā)了氣體泄漏擴散實驗教學(xué)平臺，設(shè)計并開展了氣體泄漏擴散規(guī)律實驗驗證項目。學(xué)生可開展氣體泄漏擴散實驗及對應(yīng)場景的計算流體力學(xué)（CFD）模擬，并對比分析實驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果，以幫助學(xué)生理解CFD原理及在氣體泄漏擴散QRA方面的應(yīng)用效果。

有關(guān)氣體泄漏擴散流場及規(guī)律的研究，最直觀準(zhǔn)確方式是開展風(fēng)洞及直接檢測實驗。如姜傳勝等［3］進行了重氣連續(xù)泄漏的風(fēng)洞模擬實驗，將實驗所得與重氣擴散模型的預(yù)測結(jié)果進行了對比，得到了重氣連續(xù)擴散的特點。Motayyeb 等［4］通過粒子速度場儀（PIV）裝置生成粒子圖像，根據(jù)其相關(guān)性得到速度流場。由于全尺寸實驗周期長、規(guī)模大、費用高等缺點，部分學(xué)者開展了縮尺實驗研究。如施志榮［5］建立了油氣儲運安全綜合試驗平臺，采用煙幕彈做示蹤劑研究有毒氣體泄漏擴散規(guī)律。王國磊［6］搭建了室內(nèi)燃氣泄漏擴散研究試驗臺，以液化石油氣為研究對象，通過氣體濃度分析儀采集濃度數(shù)據(jù)，得到了不同影響因素下氣體泄漏擴散規(guī)律和爆炸濃度變化規(guī)律。以上相關(guān)研究通過各類實驗裝置定量檢測流場，取得了較好效果。考慮教學(xué)實驗的安全性、經(jīng)濟性和便捷性的需求，選用縮尺實驗法開發(fā)氣體泄漏擴散規(guī)律的實驗教學(xué)平臺，并設(shè)計相關(guān)的實驗方案，以達到幫助學(xué)生直觀認識氣體泄漏擴散規(guī)律、了解CFD 方法及其應(yīng)用的效果。

1 氣體泄漏擴散實驗教學(xué)平臺

氣體泄漏擴散規(guī)律實驗教學(xué)平臺由風(fēng)場模擬模塊、氣體泄漏系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和對應(yīng)的CFD模型4部分組成，平臺框圖如圖1 所示。平臺中內(nèi)置的模型是以某海洋平臺為原型，結(jié)合實驗平臺尺寸所制作的縮尺模型。平臺總體模型如圖2 所示。平臺可進行氣體泄漏擴散規(guī)律實驗，支持對風(fēng)場、泄漏位置、泄漏速率等實驗參數(shù)進行變化組合。構(gòu)建與平臺1∶1的CFD模型則可實現(xiàn)對各實驗場景的數(shù)值模擬。開展實驗結(jié)果與CFD模擬結(jié)果的對比分析，開展對比驗證，并學(xué)習(xí)氣體泄漏擴散的規(guī)律及其預(yù)測原理［7-8］。

圖1 實驗平臺框圖

圖2 實驗室縮尺平臺模型

1.1 風(fēng)場模擬系統(tǒng)

在氣體泄漏擴散事故中，風(fēng)場是一種重要的影響因素，可對氣體泄漏事故后果產(chǎn)生重要影響［9］。實驗平臺基于風(fēng)機等設(shè)備設(shè)計了風(fēng)場模擬模塊，用于提供氣體泄漏實驗所需的環(huán)境風(fēng)。

風(fēng)場模擬模塊包括風(fēng)機、熱敏風(fēng)速儀、調(diào)速器、蜂窩器和阻尼網(wǎng)等設(shè)備，風(fēng)機和阻尼網(wǎng)如圖3 所示。通過改變風(fēng)機位置，可以實現(xiàn)不同風(fēng)向的變換。通過調(diào)速器調(diào)節(jié)風(fēng)速大小，由熱敏風(fēng)速儀測試實驗平臺各部位風(fēng)速值。熱敏風(fēng)速儀如圖4 所示。通過蜂窩器和阻尼網(wǎng)將風(fēng)機產(chǎn)生的渦旋風(fēng)場通過平臺擴散段壓縮整合，使風(fēng)場平直進入實驗段。蜂窩器引導(dǎo)氣流，使其與風(fēng)洞軸線平行，從而將氣流中的大渦流劃分為小渦流，使氣流的紊流度下降，使其更接近環(huán)境風(fēng)［10］。

圖3 風(fēng)機和阻尼網(wǎng)

圖4 熱敏風(fēng)速儀

1.2 氣體泄漏模塊

海洋平臺常伴有危險氣體泄漏風(fēng)險，各平臺因其生產(chǎn)工藝流程及處理介質(zhì)不同，泄漏氣體有甲烷、乙烷、丙烷、硫化氫等［11］。本實驗假定潛在的泄漏氣體為丙烷。考慮到燃爆風(fēng)險，實驗中選用與丙烷分子量一致，空氣動力學(xué)特征相近的二氧化碳作為實驗氣體開展泄漏實驗［12-13］。

氣體泄漏系統(tǒng)包括二氧化碳氣瓶、橡膠管、閥門、浮板流量計等設(shè)備，用于模擬實際氣體泄漏中的工況情況，包括泄漏速率、泄漏位置等。平臺模型中泄漏設(shè)備的側(cè)面和頂部存在預(yù)留孔，通過橡膠管固定在不同位置來控制泄漏位置；利用二氧化碳氣瓶和浮板流量計控制二氧化碳泄漏速率，從而模擬不同的實驗工況，開展不同工況的氣體泄漏實驗。

1.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的主要硬件設(shè)備為34 個二氧化碳氣體探測傳感器，分布于平臺模型中實時監(jiān)測氣體泄漏后該點的濃度變化。各層甲板和平臺氣體監(jiān)測器布置見圖5 所示。利用數(shù)據(jù)采集軟件實時顯示并記錄各個監(jiān)測點的濃度變化數(shù)據(jù)。本平臺選擇體積偏小的傳感器以避免其體積過大對監(jiān)測效果產(chǎn)生較大的系統(tǒng)誤差［14］。

圖5 平臺縮尺模型中的氣體監(jiān)測器布置圖

1.4 CFD預(yù)設(shè)模型

教師基于實驗教學(xué)平臺及其中預(yù)設(shè)的海洋平臺模型建立1∶1的Gambit 模型，模型長寬高尺寸為1.5 m×0.8 m×0.85 m，網(wǎng)格劃分見圖6 所示。通過網(wǎng)格無關(guān)性分析選取計算精度和計算時間較為平衡的網(wǎng)格用于開展教學(xué)實驗?zāi)M，網(wǎng)格數(shù)量為5 976 685［11］。

圖6 網(wǎng)格劃分圖

配置高性能服務(wù)器進行教學(xué)實驗的數(shù)值模擬，12th Gen Intel（R）Core（TM）i9-12900K 3.20 GHz，24核，RAM：128G。對于給定的泄漏實驗場景，教師預(yù)先確定好邊界條件、選用模型、監(jiān)測點、湍流模型等CFD計算所需參數(shù)。

2 實驗步驟與方法

實驗包括數(shù)值模擬與實操泄漏實驗兩部分。第1階段，教師提供上述預(yù)設(shè)好的CFD模型供同學(xué)運行并模擬泄漏擴散過程。主要包括：講解理論原理和設(shè)置泄漏參數(shù)、初始化的方法，學(xué)生在高性能計算機上對氣體泄漏擴散模型進行模擬，獲得數(shù)值模擬預(yù)測的濃度場。第2 階段為學(xué)生開展泄漏及檢測實驗，在實驗平臺上設(shè)置相同的泄漏工況條件，開展重復(fù)實驗并采集實驗數(shù)據(jù)。自主設(shè)計數(shù)據(jù)處理與分析方案。實驗結(jié)束后，以小組為單位提交實驗報告。具體實驗步驟如下：

（1）準(zhǔn)備階段。將氣體監(jiān)測器布置在海洋平臺模型上，明確實驗工況，確定好實驗中的各項參數(shù)，泄漏速率、泄漏位置、風(fēng)向、風(fēng)速、溫度等，進行實驗記錄。安裝裝置側(cè)板和頂板、使用風(fēng)速檢測儀測量風(fēng)速，使風(fēng)速與模擬參數(shù)保持一致。

（2）實驗過程。實驗開始前，關(guān)閉門窗，進行二氧化碳傳感器校零操作，使二氧化碳傳感器面板初始濃度為空氣中二氧化碳的濃度并保持穩(wěn)定。啟動風(fēng)機和調(diào)速器，使用風(fēng)速檢測儀以及配套設(shè)備軟件，測量風(fēng)速和溫度。

實驗時，打開二氧化碳氣瓶閥門，通過減壓閥和流量計保證二氧化碳泄漏速率與模擬參數(shù)一致。待穩(wěn)定后，開啟閥門進行實驗并記錄數(shù)據(jù)。為了確保實驗的準(zhǔn)確性，同一場景做3 次重復(fù)實驗［15］。變更二氧化碳泄漏位置和風(fēng)機風(fēng)向，重復(fù)實驗操作，可以采集不同泄漏工況時的實驗數(shù)據(jù)。

實驗結(jié)束后，關(guān)閉氣瓶閥門，排空裝置中剩余氣體，關(guān)閉風(fēng)機和電源。

（3）CFD模擬。基于上述已建立的CFD模型，學(xué)生設(shè)置與實驗工況對應(yīng)的泄漏參數(shù)，在高性能計算機上開展CFD模擬。瞬態(tài)模擬，時間步長設(shè)為0.5 s，泄漏時間設(shè)為600 s，單個泄漏場景模擬CPU Time 約需636，319 s。學(xué)生按實驗分組預(yù)約高性能服務(wù)器計算機時，設(shè)置參數(shù)開展模擬。模擬結(jié)束后得到模擬數(shù)據(jù)，結(jié)合實驗平臺中得到的實驗數(shù)據(jù)自主設(shè)計方案開展實驗分析。

3 實驗結(jié)果與分析

以下選取某次教學(xué)實驗為例，展示依托該平臺開展教學(xué)實驗取得的氣體泄擴散規(guī)律展示、CFD 模擬結(jié)果實驗驗證等方面的效果。

（1）氣體泄漏擴散規(guī)律展示。由于二氧化碳為無色氣體，學(xué)生在實操泄漏實驗時并不能感受直觀氣體泄漏擴散規(guī)律。通過CFD 模擬結(jié)果的后處理圖片或視頻向?qū)W生直觀感受氣體泄漏擴散規(guī)律。圖7 為東風(fēng)條件下立式罐發(fā)生泄漏時二氧化碳濃度等值面圖，從圖上可以看出，泄漏的二氧化碳氣云在50 s時已經(jīng)擴散到海洋平臺中的各層甲板處，且受風(fēng)場影響氣云向西聚攏；200 s時二氧化碳氣云團受風(fēng)場影響大部分聚集在海洋平臺的西部。學(xué)生可借助圖片和視頻形象理解氣體泄漏擴散過程。

圖7 二氧化碳泄漏濃度等值面圖

（2）實驗數(shù)據(jù)與CFD 模擬結(jié)果的對比。該場景中有濃度記錄的探測器編號及所采集數(shù)據(jù)及對應(yīng)的模擬結(jié)果如圖8 所示。實驗結(jié)果在75 s左右趨于穩(wěn)定，CFD模擬值在50 s時趨于穩(wěn)定，并在CFD模擬值附近上下波動。由圖8 可見，CFD 模擬值與實驗值變化趨勢一致，趨于穩(wěn)定后的數(shù)值誤差較小。

進一步引入相對誤差及均方根誤差對比以上工況的檢驗?zāi)M值和實驗值［16］。如圖9 所示，相對誤差基本在15%以內(nèi)；均方根誤差小于1.79 μmol/L，與圖8所展示的二氧化碳312.5 μmol/L 的濃度范圍對比可見，模擬值和實驗值離散程度較小。

圖9 工況1相對誤差與均方根誤差

該次教學(xué)實驗共設(shè)置有12 個泄漏工況，使用上述方法得到12 組不同工況下實驗結(jié)果和模擬結(jié)果的相對誤差和均方根誤差如圖10～11 所示。對比可見，大部分工況的相對誤差都在15%以下，均方根差都在4.46 μmol/L以下，表明了達到穩(wěn)態(tài)后，CFD 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果呈現(xiàn)出較好的一致性。

圖10 不同工況下的相對誤差

圖11 不同工況下的均方根差

4 結(jié)語

開發(fā)了一種氣體泄漏擴散實驗規(guī)律驗證的教學(xué)實驗平臺，并設(shè)計實施了相應(yīng)教學(xué)實驗方案。通過開展氣體泄漏擴散實驗，檢測氣體濃度場，并將實驗數(shù)據(jù)與對應(yīng)的CFD模擬數(shù)據(jù)對比，可達到直觀認識氣體泄漏擴散規(guī)律及驗證CFD 模擬結(jié)果的效果。且該實驗平臺兼具安全性、便捷性和經(jīng)濟性的特點。該實驗平臺和教學(xué)實驗的應(yīng)用推廣，可為安全工程專業(yè)學(xué)生提供一條直觀認識氣體泄漏擴散規(guī)律、理解CFD 在QRA中應(yīng)用的可行途徑。