大气环境气体扩散特性的虚拟仿真实验与可视化教学_吴凡.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 11 期 2023 年 11 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.11 Nov.2023 收稿日期:2023-05-02 基金项目:国家重点研发计划项目（2021YFC3001203）作者简介:吴凡（1991），男，江苏淮安，博士，讲师，主要研究方向为火灾和爆炸防控，。引文格式:吴凡.大气环境气体扩散特性的虚拟仿真实验与可视化教学J.实验技术与管理,2023,40(11):97-104.Cite this article:WU F.Virtual experiment and visualization teaching of the gas diffusion characteristics in atmospheric environmentJ.Experimental Technology and Management,2023,40(11):97-104.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.11.016 虚拟仿真技术 大气环境气体扩散特性的虚拟仿真 实验与可视化教学 吴 凡（常州大学 安全科学与工程学院，江苏 常州 213164）摘 要：泄漏事故中易燃易爆气体在大气环境中的扩散难以通过实验进行较为真实的还原，给这类事故的实验教学带来一定困难。为解决这一问题，该文对五种稳定度等级下的大气环境开展了的虚拟仿真，并利用实验数据验证了仿真系统的可靠性。在此基础上，开展了不同工况的虚拟泄漏实验，实现了对气体泄漏过程的可视化展示。与此同时，将高斯烟羽模型的预测结果与仿真结果进行了对比，以可视化方式说明了参数不同取值对模型预测精度的影响。关键词：大气环境；气体扩散；虚拟实验；可视化教学 中图分类号：X928.6 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)11-0097-08 Virtual experiment and visualization teaching of the gas diffusion characteristics in atmospheric environment WU Fan(School of Safety Science and Engineering,Changzhou University,Changzhou 213164,China)Abstract:The diffusion of inflammable and explosive gases in the atmospheric environment by leakage accidents is difficult to be realized through experiments,which brings certain difficulties to the experimental teaching of those accidents.To solve that problem,simulations of the atmospheric environment under five stability levels were carried out,and the reliability of the simulation system was verified by the experimental data.On that basis,different virtual leakage experiments were carried out,and the visualization of the gas leakage process was realized.At the same time,the prediction results of Gaussian Plume Model were compared with the simulation results.The effects of different values of the parameter on the prediction accuracy of the model were illustrated in a visual approach.Key words:atmospheric environment;gas diffusion;virtual experiment;visualization teaching 泄漏、火灾及爆炸事故是安全工程专业教学过程中接触最多的事故案例1-3。对于火灾及爆炸事故，由于缩比例实验的结果与实际事故过程有较好的相似性，在实验教学中可利用缩比例实验台开展实验4-8。但对于泄漏事故中易燃易爆气体在大气环境中的扩散过程，缩比例实验难以较为真实地还原大气环境，给实验教学带来一定困难。一些教师仍会采用传统的理论教学方法，为学生讲解泄漏气体在空间的扩散规律及其相应的预测模型。对于轻气（密度小于空气）泄漏，高斯烟羽模型是需要重点理解的模型。该模型较好地描述了连续泄漏的轻气在风环境中的扩散过程，可用于预测泄漏空98 实 验 技 术 与 管 理 间中任意位置处气体的时均浓度。但该模型中含有风速、泄漏量、z 及 y 方向扩散系数、有效羽流中心高度等参数，使模型的形式和意义较为复杂抽象，不利于学生深刻理解模型内涵，并评估模型参数改变对预测结果的影响。如果能够将轻气泄漏过程以可视化方式展现出来，并与高斯模型的预测结果进行对比分析，将使教学效果得到极大提升。有鉴于此，本文针对气体泄漏事故教学，提出一种将虚拟仿真实验与可视化教学相结合的方法，以下对此进行详细介绍。1 仿真方法与系统组成 1.1 仿真方法 采用开源软件 FDS 作为虚拟仿真软件。与其他仿真软件相比，FDS 在许多方面都有着自身的特点。在流体动力学模型方面，能够通过数值方法求解适用于低速、热驱动场景下描述流体运动性质的 N-S 方程组。该方法的核心是一种显式预测校正方案，在空间和时间上具有二阶精度。对湍流的处理默认采用的是大涡模拟（LES）方法，如果数值网格足够精细，也可采用直接数值模拟（DNS）方法进行处理。在几何处理方面，由于对控制方程的数值处理是在线性网格上，所建立的几何模型必须与网格对齐。在边界条件方面，由于软件可精确模拟出热量向固体表面传递的过程，所有固体表面都需要指定热边界条件。1.2 仿真系统组成 本文所建立的虚拟仿真系统主要由虚拟大气环境、虚拟泄漏源和虚拟边界条件构成。如图 1 所示，虚拟大气环境长 500 m、宽 300 m、高 50 m。通过输入大气实验测得的相关参数，理论上可以还原实际大气的风速与温度分布。虚拟泄漏源可以对实际泄漏气体、泄漏位置和泄漏量进行仿真，目前支持对 43 种常见轻重气体的精确仿真，并支持自定义泄漏气体的性质。虚拟边界条件可对不同粗糙度的地面和海平面进行仿真，并能够设定从大气中接收的太阳辐射值。虚拟仿真系统的精度由计算网格的尺寸决定，通常来说，计算网格的尺寸越小，仿真系统的精度就越高。但较小的网格会极大增加仿真结果的运算时间，因此选择合适的网格尺寸很重要。通过网格敏感性测试，本文所建立的虚拟仿真系统采用的网格尺寸为 1 m 1 m1 m，共设置了 750 万个网格。每组工况的仿真时间设定为 600 s，并在大气中心位置处设置垂向测点测量环境温度和风速随高度的变化。图 1 本文建立的虚拟仿真系统 2 系统验证 2.1 验证原理和实验数据 对某一特定大气环境进行还原的比较可靠的方法是还原大气中环境风速和温度随高度的变化。根据有关研究，环境风速随高度的变化可以用下式表示：当 L0 时：*0()ln5uzzu zzL=+|（1）当 L0 时：*0211()ln2ln21ln2tan()22uzu zz-+=-|+-|（2）式中，()u z为环境风速（m/s），为 Von Karman 常数（0.41），z 为距离地面的高度（m），0z为地面粗糙度（m），L 为 Monin-Obukhov 长度（m），*u为地面摩擦速度（m/s），为1/41 16zL-|。环境温度随高度的变化可以用下式表示：当 L0 时：*221a2a1d211()()ln5TzzzT zT zzzzL-=+-（3）当L0时：2*2a2a1d2111(z()()ln2lnz2TzTT zz Z-+|-=-|（4）式中，a()Tz为高度z处的环境温度（K），d为干绝热衰减率（0.011 K/m），为1/4211 16zzL-|，*T为湍流温标（K），可通过公式*0.286(100/)P计算，其中*为归一化位温（K），P为环境压力（kPa）。吴 凡：大气环境气体扩散特性的虚拟仿真实验与可视化教学 99 由前述公式可知，如果能够在大气实验中测得相关参数，就可以较好地还原大气中环境风速及温度随高度的变化9-10。利用文献1113获取的大气实验数据如表1所示。将这些数据输入到仿真系统中，如果仿真系统所模拟出的环境风速和温度曲线与实验测得的曲线吻合较好，则可以说明仿真系统较为真实地还原出实验时的大气环境，从而为接下来开展不同气体泄漏场景的虚拟实验奠定基础。2.2 仿真系统的可靠性验证 将不同大气稳定度下测得的实验数据输入虚拟仿真系统后，可得到仿真出的三维风场与温度场。将此温度与风速分布曲线与实验测得的曲线进行对比，其结果如图2和图3所示。表 1 不同大气稳定度下测得的实验数据 大气稳定度等级 B C D E F 实验组织者 Coyote Maplin Sands Coyote Burro Falcon 环境压力/kPa 93.6 101.325 94.2 94 90.89 环境温度/39.6 14.9 24.1 33.8 32.2 环境湿度/%11.3 53 22.8 7.4 40 L/m 8.56 14.4 82.5 16.2 4.96*u/ms1 0.31 0.19 0.21 0.074 0.061 0z/m 0.000 2 0.000 02 0.000 2 0.000 2 0.008*/K 0.89 0.18 0.039 0.097 0.058 地面辐射/Wm2 314 39 9 41 4 图 2 B 级和 C 级大气稳定度下风速、温度曲线仿真结果与实验值的对比 从图2和图3中可以看出，在仿真系统中建立的三维风场和温度场，能够较好地还原实验中测得的温度与风速分布曲线，实现了对实际大气环境的数值重建14。以此为基础，后续在仿真出的大气环境中增加虚拟泄漏源，就相当于在现场开展泄漏实验，为开展气体泄漏事故教学提供了极大的便利性和灵活性。3 教学示范实验 3.1 气体泄漏过程的可视化教学 以氢气泄漏事故为例，详细介绍可视化教学的过程。选取已验证过的稳定度为B等级的虚拟大气环境，在虚拟大气环境中增加虚拟泄漏源，如图4所示。虚100 实 验 技 术 与 管 理 拟泄漏源设置在地面中心线上，距左侧边界120 m，距右侧边界380 m，高度设置为4 m。氢气的泄漏量为20 kg/s，泄漏时的初始密度为0.4 kg/m3，泄漏时间为600 s，泄漏过程不同时刻的可视化展示如图5和图6所示。图 3 D、E、F 级大气稳定度下风速、温度曲线仿真结果与实验值的对比 图 4 气体泄漏事故虚拟场景 注：rho_H2 代表氢气密度。（下同）图 5 泄漏气体在空间不同时刻的二维浓度分布 由于仿真系统计算了虚拟空间任意位置处的泄漏气体浓度，因此可根据教学需要展示不同时刻不同平面的气体浓度分布，也可展示不同时刻三维空间中的气体浓度分布。学生通过观察气体从泄漏到扩散蔓延的全过程，可以清楚地了解气体浓度在这一过程中发生的变化，并能够通过不同场景的设计，了解环境温度、风速、地面障碍物等因素对气体扩散过程的影响。3.2 参数取值对理论模型预测影响的可视化教学 高斯烟羽模型作为研究轻气扩散规律的经验模型，具有较好的处理模糊性和随机性的能力，是研究定性概念和定量数值转换的数学模型。利用仿真出的气体泄漏过程，可以让学生更好地理解高斯烟羽模型，该模型的表达式如下：(,)a(,)(,)x y zyzqcFx y F x zu=（4）221(,)exp2()2()yyyyFx yxx|=-|（5）22221()()(,)expexp2()2()2()zzzzzhzhF x zxxx-+|=-+-|（6）式中，(,)x y zc为泄漏气体在空间某一位置处的浓度（kg/m3），q为泄漏气体的泄漏量（kg/s），au为10 m高度处的风速（m/s），()yx为y方向的扩散系数，()zx为z方向的扩散系数，h为羽流中心线高度（m）。在实际应用过程中，不同参数取值对模型预测精度影响较大。除了泄漏气体的泄漏量较易确定外，其他参数的取值都有一定的不确定性15-16。如果取值不当，则会使模型预测出错误的浓度分布范围，影响使用者对于泄漏气体危害程度的评估。为了使学生深刻理解参数选择的重要性，选取不同风速、扩散系数和羽流中心线高度，并将高斯模型的预测结果与仿真结果进行对比，以可视化方式说明参数不同取值对模型预测精度的影响。首先，对环境风速的影响进行分析。将au作为变量，分别选取6 m/s、7 m/s和8 m/s的风速带入到高斯模型中。模型中其他参数根据经验设定，气体泄漏量q设为20 kg/s，()yx和()zx选取大气稳定度B 吴 凡：大气环境气体扩散特性的虚拟仿真实验与可视化教学 101 图 6 泄漏气体在空间不同时刻的三维浓度分布 等级下的扩散系数，羽上升高度h设为9.43 m。利用高斯模型预测这三种不同风速下10 m高度平面的气体浓度分布，并将其与仿真结果进行对比，结果如图7所示。从图中可以看出，当风速设定为6 m/s时，高斯模型对泄漏气体不同浓度的扩散范围总体预测偏大。根据仿真结果，泄漏气体的最高浓度在90 000 100 000 mg/m3之间，但高斯模型的预测值显示，泄漏气体的最高浓度超过了100 000 mg/m3。此外，泄漏气体浓度仿真值在x方向和y方向上衰减较快，在x方向上不到40 m，在y方向上不到5 m，泄漏气体浓度便从峰值衰减至10 000 mg/m3。而预测出的泄漏气体浓度在x方向和y方向上衰减较慢，如要达到同样的衰减效果，在x方向上所需的范围是60 m，在y方向上所需的范围是10 m。图 7 泄漏气体浓度分布仿真结果与不同风速下预测值的对比 102 实 验 技 术 与 管 理 当风速设定为7 m/s和8 m/s时，高斯模型的预测浓度范围相比于6 m/s时有一定的减小，但仍大于仿真出的浓度范围。当采用7 m/s风速时，在一定浓度范围内，高斯模型的预测值与仿真结果吻合较好。当采用8 m/s风速时，相比于仿真结果，高斯模型对浓度峰值的预测偏低，低估了泄漏源附近区域内的气体浓度。分析结果表明，随着风速的不断增大，在同一高度平面上，高斯模型不仅对泄漏气体浓度扩散范围的预测逐渐减小，而且对泄漏气体峰值浓度的预测也逐渐减小。当采用7 m/s的风速时，在一定浓度范围内，高斯模型的预测值与仿真结果吻合较好，但在浓度衰减速度上，预测值仍远低于仿真结果，使得该模型的预测结果总体上偏保守。接下来对扩散系数的影响进行分析。将扩散系数作为变量，分别选取大气稳定度B、C和D等级的扩散系数带入高斯模型，其他参数根据经验选取最优值。利用高斯模型预测这三种不同扩散系数下10 m高度平面的气体浓度分布，并将其与仿真结果进行对比，结果如图8所示。图 8 泄漏气体浓度分布仿真结果与不同扩散系数下预测值的对比 从图中可以看出，随着扩散系数由B等级向D等级的转变，高斯模型对于x方向上的预测浓度范围逐渐增大，对于y方向上的预测浓度范围逐渐减小。在大气稳定度D等级下，高斯模型对于泄漏气体浓度峰值的预测值最大，与仿真结果相比，高估了泄漏源附近区域内的气体浓度。分析结果表明，随着扩散系数由B等级向D等级的转变，高斯模型预测出的浓度扩散范围在y方向上被不断压缩，泄漏源附近区域内的气体浓度不断增大。与仿真结果相比，大气稳定度B等级下的扩散系数具有较高的合理性。最后，对羽流中心线高度的影响进行分析。将羽流中心线高度作为变量，分别选取9.3 m、9.43 m和9.5 m的羽流中心线高度带入高斯模型，其他参数根据经验选取最优值。利用高斯模型预测这三种不同羽流中心线高度下10 m高度平面的气体浓度分布，并将其与仿真结果进行对比，对比结果如图9所示。从图中可以看出，随着羽流中心线高度的增大，高斯模型对于泄漏气体浓度峰值的预测值逐渐增大。在不同羽流中心线高度下，高斯模型预测出的浓度扩散范围变化不大。当羽流中心线高度为9.3 m时，与仿真结果相比，高斯模型严重低估了泄漏源附近区域内的气体浓度。当羽流中心线高度为9.5 m时，与仿真结果相比，高斯模型又极大高估了泄漏源附近区域内的气体浓度。吴 凡：大气环境气体扩散特性的虚拟仿真实验与可视化教学 103 图 9 泄漏气体浓度分布仿真结果与不同羽流中心线高度下预测值的对比 分析结果表明，羽流中心线高度对于预测泄漏气体的浓度峰值具有较为关键的作用。羽流中心线高度每变化0.1 m，都会对泄漏气体的浓度峰值有较大影响。如需重点关注泄漏源附近区域内的气体浓度，则需要慎重选择羽流中心线高度，未来有必要建立相关模型对羽流中心线高度进行合理预测。综上所述，高斯烟羽模型的预测精度与环境风速、扩散系数、羽流中心线高度的取值有极大关联。将模型预测结果与仿真结果进行对比，以可视化的方式说明参数不同取值对模型预测精度的影响，可以使学生更好地理解参数选择的重要性，并能够对合理应用这类模型进行更深入的思考。4 结语 泄漏事故中易燃易爆气体在大气环境中的扩散难以通过实验进行较为真实的还原，给相关专业实验教学带来一定困难。本文利用FDS软件建立了虚拟仿真系统，实现了对五种稳定度等级下大气环境的虚拟仿真，并利用实验数据验证了仿真系统的可靠性。在此基础上，开展了不同工况的虚拟实验，实现了对气体泄漏过程的可视化展示，使学生能够直观了解环境温度、风速、地面障碍物等因素对气体扩散过程的影响。与此同时，将高斯烟羽模型的预测结果与仿真结果进行了对比，以可视化方式说明了参数不同取值对模型预测精度的影响。这种将虚拟仿真实验与可视化教学相结合的方法，有助于学生深入理解易燃易爆气体在大气环境中的扩散过程，掌握高斯模型并在未来的学习和工作中加以合理应用。参考文献(References)1 邵小晗，毕海普，邵辉.粉尘爆炸实验教学的数值模拟设计与实践J.实验技术与管理，2021,38(6):166170.SHAO X H,BI H P,SHAO H.Design and practice of numerical simulation of dust explosion experiment teachingJ.Experimental Technology and Management,2021,38(6):166170.(in Chinese)2 周魁斌，王秀珍.基于 MATLAB GUI 的池火灾热辐射特性虚拟仿真实验与可视化教学J.实验技术与管理，2022,39(5):8288.ZHOU K B,WANG X Z.Virtual simulation experiment and visual teaching of thermal radiation characteristics from pool fires based on MATLAB GUIJ.Experimental Technology and Management,2022,39(5):8288.(in Chinese)3 史宝军，聂士明，孙静.基于高斯烟羽混合模型的 LPG 泄漏扩散研究J.安全与环境学报，2022,22(2):909918.SHI B J,NIE S H,SUN J.Investigation on LPG leakage anddiffusion based on Gaussian plumemixture modelJ.Journal of Safety and Environment,2022,22(2):909918.(in Chinese)4 张苏，王金贵，郭进，等.气体非均匀燃爆实验装置的研制104 实 验 技 术 与 管 理 及其教学应用J.实验技术与管理，2020,37(9):187190,199.ZHANG S,WANG J G,GUO J,et al.Development of experimental device for non-uniform gas explosion and its application in undergraduate teachingJ.Experimental Technology and Management,2020,37(9):187190,199.(in Chinese)5 周宁，刘超，刘珈铨，等.气体和粉尘燃爆机理实验平台设计J.实验技术与管理，2016,33(12):8084.ZHOU N,LIU C,LIU J Q,et al.Design of testing experimental platform for gas and dustcombustion and explosion mechanism J.Experimental Technology and Management,2016,33(12):8084.(in Chinese)6 孔得朋，张红杰，何旭.油罐火灾及细水雾灭火教学实验平台J.实验技术与管理，2021,38(1):105108.KONG D P,ZHANG H J,HE X,et al.Teaching experimental platform for oil tank fire and water mist fire extinguishingJ.Experimental Technology and Management,2021,38(1):105 108.(in Chinese)7 王彦富，马伟恺，王琛，等.自由组合式隧道模型实验平台开发与火灾实验教学实践J.实验技术与管理，2022,39(5):176179,204.WANG Y F,MA W K,WANG C,et al.Design of tunnel platform with vertical shafts and fire experimental teaching practiceJ.Experimental Technology and Management,2022,39(5):176179,204.(in Chinese)8 张如林，程旭东，张艳美，等.空中爆炸冲击波作用的数值仿真实验研究J.实验技术与管理，2017,34(2):110115.ZHANG R L,CHENG X D,ZHANGY M,et al.Application of numerical simulation experiment method of explosive shock wave in the airJ.Experimental Technology and Management,2017,34(2):110115.(in Chinese)9 DYER A J.A review of flux profile relationshipsJ.Boundary-Layer Meteorology,1974(7):363372.10 STULL R B.Meteorology for Scientists and EngineersM.California:Brooks/Cole,2000.11 IVINGS M J,GANT S E,JAGGER S F,et al.Evaluating vapor dispersion models for safety analysis of LNG facilitiesR.United Kingdom:Health and Safety Laboratory,2016.12 STEWART J R,COLDRICK S,LEA C J,et al.Validation database for evaluating vapor dispersion models for safety analysis of LNG facilities:Guide to the LNG model validation database version 12R.United Kingdom:Health and Safety Laboratory,2016.13 BROWN T C,CEDERWALL R T,CHAN S T,et al.LNG vapor barrier verification field trialsR.United States of America:Lawrence Livermore National Laboratory,1990.14 陆新晓，史国钰，王毅，等.火场典型灾变特征虚拟仿真实验设计J.实验技术与管理，2022,39(11):8490,116.LU X X,SHI G Y,WANG Y.Virtual simulation experiment design of typical fire scenario catastrophic characteristicsJ.Experimental Technology and Management,2022,39(11):8490,116.(in Chinese)15 易俊华，许泉立.GIS 环境下基于高斯烟羽模型的大气点源污染扩散模拟研究J.测绘与空间地理信息，2022,45(8):7376,84.YI J H,XU Q L.Diffusion simulation of atmospheric point-source pollution based on Gaussian plume model in the GIS environmentJ.Geomatics&Spatial Information Technology,2022,45(8):7376,84.(in Chinese)16 刘畅，苏腾，周汝，等.修正高斯模型下气体泄漏源项信息反算研究J.中国安全科学学报，2022,32(7):98104.LIU C,SU T,ZHOU R,et al.Investigation on back-calculation of leakage source information of gas based on modified Gaussian modelJ.China Safety Science Journal,2022,32(7):98104.(in Chinese)（编辑：张文杰）