【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及船舶环境分析，特别涉及一种基于cfd数值模拟的危险气体风险评估方法。
技术介绍
1、欧盟提出“在2030年底温室气体排放量较1990年减少55％”的目标。imo海洋环境保护委员会(mepc)第72次会议通过了全球首份航运业温室效应气体减排初步战略，以2008年碳排放为基准，提出到2030年将航运业碳排放强度降低40％，2050年降低70％(碳排放总量降低50％)的目标，并制定了应对措施。特别是从2025年1月1日起，欧盟将限制燃料的全生命周期温室气体排放强度，迫使进入欧盟水域的船舶满足更高的排放要求，倒逼航运公司采用低碳或零碳等替代燃料，加快替代燃料的应用步伐。
2、目前，替代燃料主要为lng、甲醇、氨气和氢气等低碳或零碳燃料，其中甲醇易挥发，容易发生燃烧爆炸风险；lng和氢气需要低温高压保存，可能会发生应急排放或泄露等事件，从而发生燃烧爆炸风险；氨气除了应急排放或泄露等事件，其剧毒性和腐蚀性也是使用过程的重大安全风险。
3、因此，在使用危险气体时务必要保证其安全性。由于船舶尺寸很大，航行工况复杂，试验方法难以开展且危险，所以，目前并没有有效的方法评估危险气体使用的风险。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于cfd数值模拟的危险气体风险评估方法，通过cfd数值模拟对氨气应急排放扩散范围、氨气浓度和氨气水雾散落范围进行风险评估，从而为危险气体排放或泄露等是否安全提供了有效的评价依据。
2、本专利技术的上述技术目的是通过以下
3、一种基于cfd数值模拟的危险气体风险评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
4、模型建立及计算域设定：根据船舶总体布置和氨气燃料应急排放管位置对模型建模，数值模拟采用实尺度船舶，根据船舶长度设定计算域大小；
5、气体成分与水雾假设：将空气假定为单成分的气体，模拟应急排放的氨气在空气中的扩散范围，氨气浓度通过每个计算网格中的氨气含量进行捕捉，低温氨气从液氨存储舱排出遇到潮湿空气会形成水雾，并散落到船体或集装箱上，采用lagrange方法模拟并可视化水雾可能散落的位置；
6、物理模型设定：湍流模型采用sst k-ω模型，采用隐式非定常模拟，采用lagrange多项流模型模拟水雾，水雾液滴的直径采用nukiyama-tanazawa分布，气体采用多组分气体模型模拟空气和氨气，采用fluid film模型模拟水雾散落到船体或集装箱上会形成的一层液膜，水雾-液膜转换模型确定撞击在壁上的液滴在壁上形成液膜的厚度；
7、网格划分：采用六面体网格离散计算域，采用边界层网格模拟船体边界层，实尺度模拟保证壁面y+>200，并对氨气扩散范围进行体网格加密；
8、边界条件及求解器参数设定：根据船舶运营情况设定边界条件和初始条件，将氨气水雾散落的固体壁面设置成fluid-film边界，以捕捉该壁面的液膜厚度；
9、cfd模拟计算及可视化处理：评估氨气水雾散落范围，氨气水雾散落范围通过lagrange方法可视化模拟，判定氨气水雾散落区域，并监测上层建筑附近及其他需要关注位置的氨气浓度，根据氨气毒性评价标准从而进行风险评估。
10、优选的，所述计算域大小为：-5.5倍船长≤x≤4.5倍船长，-3.5倍船长≤y≤3.5倍船长，0≤z≤4.5倍船长。
11、优选的，所述水雾假设模拟主要关注水雾散落范围，不关注氨气与潮湿空气结合的过程，采用lagrange方法模拟形成的水雾颗粒大小，并可视化水雾可能散落的位置，水雾主要受到流场的扰动和重力作用，散落到船体或集装箱上，水雾平移和旋转运动方程如下：
12、
13、
14、式中，mi、vi和ωi分别表示水雾i的质量、速度和角速度，ii为水雾i的转动惯量，fg为水雾i的重力，ffluid为空气对碎冰粒子i的作用力，tij为水雾受到的力矩，包括重力和空气对水雾的扭矩。
15、优选的，所述水雾液滴的直径采用nukiyama-tanazawa分布的具体计算公式为：
16、
17、其中，是平均尺寸。
18、优选的，所述气体采用多组分气体模型模拟空气和氨气，多组分气体扩散的菲克定律标量扩散率被矩阵取代，组分i的扩散通量成为所有组分的质量分数的函数：
19、
20、式中，di,j表示使用maxwell-stefan方程计算的多组分扩散系数，yj是混合物组分j的质量分数。
21、优选的，所述fluidfilm模型连续性方程如下：
22、
23、式中，ρf是膜密度，是膜速度，下标f表示流体膜值，数量su是每单位面积的质量源/汇，对质量源的贡献来自液滴撞击、薄膜剥离、传质或用户定义的源，该式用于计算薄膜厚度hf，体积v和表面a是膜厚度及其空间分布的函数，fluidfilm模型动量守恒方程如下：
24、
25、式中，是对应于质量源su的动量源，ρf是压力，是体力矢量，是膜内的粘性应力张量，
26、fluid film模型能量守恒方程如下：
27、
28、式中，ef是薄膜总能量，hf是薄膜全焓，是薄膜热通量，是薄膜粘性应力张量，是每单位体积的体力，se是每单位薄膜面积的能量源项，对能量源项的贡献来自液滴冲击、薄膜剥离、蒸发、冷凝或用户定义的来源。
29、优选的，所述水雾-液膜转换模型确定撞击在壁上的液滴在壁上形成液膜的厚度，等效膜厚度计算公式如下：
30、
31、式中，vd是细胞壁上所有液滴的总体积，ac为水雾覆盖面积。
32、优选的，所述边界条件设定包括出口设置为压力出口，计算域入口设置为速度入口，氨气燃料应急排放管口设置相对压强，设置求解器各参数包括停止条件、最大内迭代次数及时间步长。
33、综上所述，本专利技术的有益效果为：危险气体风险评估进行试验的安全风险和成本代价很高，且模型尺度试验存在尺度效应，也更难以进行实尺度试验，因此，采用cfd数值模拟方法进行危险气体风险评估具有非常重要的现实意义，本专利技术的风险评估方法可为危险气体排放或泄露等是否安全提供了有效的评价依据。
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1.一种基于CFD数值模拟的危险气体风险评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于CFD数值模拟的危险气体风险评估方法，其特征在于：所述计算域大小为：-5.5倍船长≤x≤4.5倍船长，-3.5倍船长≤y≤3.5倍船长，0≤z≤4.5倍船长。
3.根据权利要求1所述的一种基于CFD数值模拟的危险气体风险评估方法，其特征在于：所述水雾假设模拟主要关注水雾散落范围，不关注氨气与潮湿空气结合的过程，采用Lagrange方法模拟形成的水雾颗粒大小，并可视化水雾可能散落的位置，水雾主要受到流场的扰动和重力作用，散落到船体或集装箱上，水雾平移和旋转运动方程如下：
4.根据权利要求1所述的一种基于CFD数值模拟的危险气体风险评估方法，其特征在于：所述水雾液滴的直径采用Nukiyama-Tanazawa分布的具体计算公式为：
5.根据权利要求1所述的一种基于CFD数值模拟的危险气体风险评估方法，其特征在于：所述气体采用多组分气体模型模拟空气和氨气，多组分气体扩散的菲克定律标量扩散率被矩阵取代，组分i的扩散通量成为所有组分的
6.根据权利要求1所述的一种基于CFD数值模拟的危险气体风险评估方法，其特征在于：所述FluidFilm模型连续性方程如下：
7.根据权利要求1所述的一种基于CFD数值模拟的危险气体风险评估方法，其特征在于：所述水雾-液膜转换模型确定撞击在壁上的液滴在壁上形成液膜的厚度，等效膜厚度计算公式如下：
8.根据权利要求1所述的一种基于CFD数值模拟的危险气体风险评估方法，其特征在于：所述边界条件设定包括出口设置为压力出口，计算域入口设置为速度入口，氨气燃料应急排放管口设置相对压强，设置求解器各参数包括停止条件、最大内迭代次数及时间步长。
...【技术特征摘要】
1.一种基于cfd数值模拟的危险气体风险评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于cfd数值模拟的危险气体风险评估方法，其特征在于：所述计算域大小为：-5.5倍船长≤x≤4.5倍船长，-3.5倍船长≤y≤3.5倍船长，0≤z≤4.5倍船长。
3.根据权利要求1所述的一种基于cfd数值模拟的危险气体风险评估方法，其特征在于：所述水雾假设模拟主要关注水雾散落范围，不关注氨气与潮湿空气结合的过程，采用lagrange方法模拟形成的水雾颗粒大小，并可视化水雾可能散落的位置，水雾主要受到流场的扰动和重力作用，散落到船体或集装箱上，水雾平移和旋转运动方程如下：
4.根据权利要求1所述的一种基于cfd数值模拟的危险气体风险评估方法，其特征在于：所述水雾液滴的直径采用nukiyama-tanazawa分布的具体计算公式为：
【专利技术属性】
技术研发人员：谢畅，陆明锋，周旭，倪豪良，周兰喜，郑传波，
申请(专利权)人：南通中远海运川崎船舶工程有限公司，
类型：发明
国别省市：
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