一种半封闭空间多元气体爆炸传播特性数值模拟方法技术

本发明专利技术提出了一种半封闭空间多元气体爆炸传播特性数值模拟方法，包括以下步骤：S1，建立实验物理模型；S2，对所建立的物理模型进行基于结构特征的个性化定制网格划分；S3，设置模型边界条件及计算区域；S4，网格文件导入；S5，网格独立性验证；S6，模型优选；S7，组分运输模型的设置，基于阿伦尼乌斯参数的多元爆炸反应放热方程设置；S8，全局监测点设置；S9，初始化设置；S10，开始模拟；S11，后处理。本发明专利技术依据现实爆炸场景，建立了半封闭空间的爆炸及传播物理模型，开展了预混爆燃时空演化及风险研究。数值模拟采用标准k

【技术实现步骤摘要】
一种半封闭空间多元气体爆炸传播特性数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及一种气体爆炸
，特别是涉及一种半封闭空间多元气体爆炸传播特性数值模拟方法。

技术介绍

[0002]气体爆炸是工业生产和生活中的重大威胁之一。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，均有可能引发半封闭空间爆炸事故，从而造成严重的人员伤亡和财产损失。同时，在日常生活中，天然气等各种可燃气体也常因使用不当而引发建筑内的气体爆炸事故。因此，有效预防和控制此类爆炸事故是安全领域急需解决的重大课题。气体爆炸通常会受到半封闭空间及各种环境条件的影响，进而加剧灾害复杂性和事故防控的难度。目前国内外均开展了较多气体爆炸相关研究，数值模拟是最常用且可靠的研究方法，有效的模拟过程能够还原气体爆炸的发生过程，帮助人们制定科学有效的防爆措施。
[0003]现有研究中，针对多元气体爆炸的数值模拟研究主要集中在完全封闭的空间，对半封闭空间内多元气体爆炸的数值模拟研究尚不多见。而实际爆炸过程中，气体预混区的某一边界通常是开口的，并不是完全密闭的空间，这就需要在气体爆炸数值模拟研究中，能够实现在半封闭空间内部分管道有多元掺混气体，而剩余部分管道没有掺混气体。因此，设计一种半封闭空间内多元气体爆炸的数值模拟方法，才能较为准确的还原实际的爆炸环境，更有效的助力人们揭示多元气体的爆炸机理以及制定更加安全有效的防爆措施。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种半封闭空间多元气体爆炸传播特性的数值模拟方法。
[0005]为了实现本专利技术的上述目的，本专利技术提供了一种半封闭空间多元气体爆炸传播特性数值模拟方法，包括以下步骤：
[0006]S1，建立实验物理模型；
[0007]S2，对所建立的物理模型进行网格划分；
[0008]S3，设置模型边界条件及计算区域；
[0009]S4，网格文件导入；
[0010]S5，网格独立性验证；
[0011]S6，模型选择；
[0012]S7，组分运输模型的设置；
[0013]S8，监测点设置；
[0014]S9，初始化设置；
[0015]S10，开始模拟；
[0016]S11，后处理。
[0017]在本专利技术的一种优选实施方式中，在步骤S1中包括：利用GAMBIT软件建立实验物理模型，该模型是一个长为9m，宽为0.1m的二维封闭矩形，矩形左侧为障碍物区域，该区域总长为0.6m，相邻障碍物之间的距离为0.1m，障碍物的阻塞比为0.45。
[0018]在本专利技术的一种优选实施方式中，在步骤S2中包括：利用GAMBIT软件对计算区域进行网格划分，网格划分区域分为三部分，分别为初始预混区、网格过渡区和局域预混爆燃主要发展区，其中初始预混区和网格过渡区采用非结构化网格，局域预混爆燃主要发展区采用结构化网格。
[0019]在本专利技术的一种优选实施方式中，在步骤S3中包括：在GAMBIT软件中设置边界条件，模型最右端出口设置为压力出口，其余边设置为外壁；整个模型分为两个计算域，分别为初始预混区和无障碍物区域；设置完成导出为MESH文件。
[0020]在本专利技术的一种优选实施方式中，在步骤S4中包括：将GAMBIT软件导出的MESH文件导入FLUENT中，调节比例尺，使FLUENT里的模型尺寸与实验管道尺寸一致，同时检查网格是否与GAMBIT中划分的网格一致。
[0021]在本专利技术的一种优选实施方式中，在步骤S5中包括：利用FLUENT对MESH得到的网格进行计算，模型中的网格质量直接决定了模拟结果的准确性，为获得模拟所需的最优网格，在轴向距离上等距选取4个测点，得到最大爆炸超压，将所述最大爆炸超压作为网格独立性检验的验证参数；比较0.5mm、1.0mm和2mm这三种网格尺寸下不同测点处超压峰值随轴向变化情况，选择最合适的网格方案。
[0022]在本专利技术的一种优选实施方式中，在步骤S6中包括：开启能量方程，选择辐射模型中的P1模型，选择标准k
‑
ε湍流模型。
[0023]在本专利技术的一种优选实施方式中，在步骤S8中包括：建立监测点，第一个点的坐标为(0.6m，0)，相邻两个点间隔0.55m，共设置15个监测点。
[0024]在本专利技术的一种优选实施方式中，在步骤S10中包括：先迭代10步进行点火，点火成功后再迭代500步，计算可燃气体点火成功后的爆炸过程，待计算完成后，导出.dat及.case文件。
[0025]在本专利技术的一种优选实施方式中，在步骤S11中包括：将.dat文件及.case文件导入CFD
‑
POST中，在CFD
‑
POST中截取数值模拟的瞬态过程，查看火焰温度和爆炸超压等的传播情况；
[0026]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。
[0027]综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术依据现实爆炸场景，建立爆炸模型，开展预混爆燃时空演化及风险研究。在掺混区采用结构化网格实现更加精确的数值计算，其余部分根据分析侧重点不同适量采用非结构化网格，从而提高计算速度。数值模拟采用标准k
‑
ε湍流方程、组分运输模型以及辐射模型中的P1模型这三种数学模型进行模拟，较为准确地模拟半封闭空间中多元气体爆炸过程中组分分布及流体、火焰、冲击波动态演化规律。
[0028]本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0029]本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0030]图1为本专利技术的流程示意图。
[0031]图2为物理模型示意图。
[0032]图3为网格划分示意图。
[0033]图4为爆炸冲击波传播速度的轴向演化示意图。
[0034]图5为火焰传播速度的轴向演化示意图。
[0035]图6为瞬时超压曲线示意图。
[0036]图7为瞬时温度曲线示意图。
[0037]图8为最大爆炸超压轴向演化示意图。
[0038]图9为最大火焰温度峰值轴向演化示意图。
具体实施方式
[0039]下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。
[0040]本专利技术方案包括以下步骤，具体参见图1～9：
[0041]步骤一：建立与实验管道等尺寸的物理模型；
[0042]利用GAMBIT软件建立与实验管道等尺寸的数值模拟的物理模型。该模型是一个长为9m，宽为0.1m的二维封闭矩形，矩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半封闭空间多元气体爆炸传播特性数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，建立实验物理模型；S2，对所建立的物理模型进行网格划分；S3，设置模型边界条件及计算区域；S4，网格文件导入；S5，网格独立性验证；S6，模型选择；S7，组分运输模型的设置；S8，监测点设置；S9，初始化设置；S10，开始模拟。2.根据权利要求1所述的半封闭空间多元气体爆炸传播特性数值模拟方法，其特征在于，在步骤S1中包括：利用GAMBIT软件建立实验物理模型，该模型是一个长为9m，宽为0.1m的二维封闭矩形，矩形左侧为障碍物区域，该区域总长为0.6m，相邻障碍物之间的距离为0.1m，障碍物的阻塞比为0.45。3.根据权利要求1所述的半封闭空间多元气体爆炸传播特性数值模拟方法，其特征在于，在步骤S2中包括：利用GAMBIT软件对计算区域进行网格划分，网格划分区域分为三部分，分别为初始预混区、网格过渡区和局域预混爆燃主要发展区，其中初始预混区和网格过渡区采用非结构化网格，局域预混爆燃主要发展区采用结构化网格。4.根据权利要求1所述的半封闭空间多元气体爆炸传播特性数值模拟方法，其特征在于，在步骤S3中包括：在GAMBIT软件中设置边界条件，模型最右端出口设置为压力出口，其余边设置为外壁；整个模型分为两个计算域，分别为初始预混区和无障碍物区域；设置完成导出为MESH文件。5.根据权利要求1所述的半封闭空间多元气体爆炸传播特性数值模拟方法，其特征在于，在步骤S4中包括：将GAMBIT软件导出的MESH文件导入FLUENT中，调节比例尺，使FLUENT里的模型尺寸与实验管道尺寸一致，同时检查网格是否与GAMBIT中划分的网格一致。6.根据权利要求1所述的半封闭空间多元气体爆炸传播特性数值模拟方法，其特征在于，在步骤S5中包括：利用FLUENT对MESH得到的网格进行计算，模型中的网格质量直接决定了模拟结果的准确性，为获得模拟所需的最优网格，在轴向距离上等距选取4个测点，得到最大爆炸超压，将所述最大爆炸超压作为网格独立性检验的验证参数；比较0.5mm、1.0mm和2mm这三种网格尺寸下不同测点处超压峰值随轴向变化情况，选择最合适的网格方案。7.根据权利要求1所述的半封闭空间多元气体爆炸传播特性数值模拟方法，其特征在于，在步骤S6中包括：开启能量方程，选择辐射模型中的P1模型，选择标准k
‑
ε湍流模型。8.根据权利要求1所述的半封闭空间多元气体爆炸传播特性数值模拟方法，其特征在于，在步骤S8中包括：建立监测点，第一个点的坐标为(0.6m，0)，相邻两个点间隔0.55m，共设置15个监测点。9.根据权利要求1所述的半封闭空间多元气体爆炸传播特性数值模拟方法，其特征在于，在步骤S10中包括：先迭代10步进行点火，点火成功后再迭代500步，计算可燃气体点火成功后的爆炸过程，待计算完成后，导出.dat及.case文件。
或/和还包括步骤S11，进行后处理，进行后处理的方法为：将.dat文件及.case文件导入CFD
‑
POST中，在CFD
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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；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。10.根据权利要求1所述的半封闭空间多元气体爆炸传播特性数值模拟方法，其特征在于，在模拟过程中包括质量守恒方程、动量守恒方程、能...

【专利技术属性】
技术研发人员：周刚，马雨，李玉莹，张琦，杨思琪，刘洋，杜文州，杨文宇，孔阳，李润之，陈旭，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：