气体泄漏扩散规律验证实验平台开发

章 博，崔梦波，李 营，李穆霞

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛 266580）

0 引言

在石油化工安全工程实践中，亦常涉及危险气体泄漏扩散后果的定量评估问题［1-2］。在课程体系中引入气体泄漏扩散规律及有关计算分析软件的内容，将有利于达到本科生的培养目标。为此，在安全技术综合实验课程中，开发了气体泄漏扩散实验教学平台，设计并开展了气体泄漏扩散规律实验验证项目。学生可开展气体泄漏扩散实验及对应场景的计算流体力学（CFD）模拟，并对比分析实验数据与模拟结果，以帮助学生理解CFD原理及在气体泄漏扩散QRA方面的应用效果。

有关气体泄漏扩散流场及规律的研究，最直观准确方式是开展风洞及直接检测实验。如姜传胜等［3］进行了重气连续泄漏的风洞模拟实验，将实验所得与重气扩散模型的预测结果进行了对比，得到了重气连续扩散的特点。Motayyeb 等［4］通过粒子速度场仪（PIV）装置生成粒子图像，根据其相关性得到速度流场。由于全尺寸实验周期长、规模大、费用高等缺点，部分学者开展了缩尺实验研究。如施志荣［5］建立了油气储运安全综合试验平台，采用烟幕弹做示踪剂研究有毒气体泄漏扩散规律。王国磊［6］搭建了室内燃气泄漏扩散研究试验台，以液化石油气为研究对象，通过气体浓度分析仪采集浓度数据，得到了不同影响因素下气体泄漏扩散规律和爆炸浓度变化规律。以上相关研究通过各类实验装置定量检测流场，取得了较好效果。考虑教学实验的安全性、经济性和便捷性的需求，选用缩尺实验法开发气体泄漏扩散规律的实验教学平台，并设计相关的实验方案，以达到帮助学生直观认识气体泄漏扩散规律、了解CFD 方法及其应用的效果。

1 气体泄漏扩散实验教学平台

气体泄漏扩散规律实验教学平台由风场模拟模块、气体泄漏系统、数据采集系统和对应的CFD模型4部分组成，平台框图如图1 所示。平台中内置的模型是以某海洋平台为原型，结合实验平台尺寸所制作的缩尺模型。平台总体模型如图2 所示。平台可进行气体泄漏扩散规律实验，支持对风场、泄漏位置、泄漏速率等实验参数进行变化组合。构建与平台1∶1的CFD模型则可实现对各实验场景的数值模拟。开展实验结果与CFD模拟结果的对比分析，开展对比验证，并学习气体泄漏扩散的规律及其预测原理［7-8］。

图1 实验平台框图

图2 实验室缩尺平台模型

1.1 风场模拟系统

在气体泄漏扩散事故中，风场是一种重要的影响因素，可对气体泄漏事故后果产生重要影响［9］。实验平台基于风机等设备设计了风场模拟模块，用于提供气体泄漏实验所需的环境风。

风场模拟模块包括风机、热敏风速仪、调速器、蜂窝器和阻尼网等设备，风机和阻尼网如图3 所示。通过改变风机位置，可以实现不同风向的变换。通过调速器调节风速大小，由热敏风速仪测试实验平台各部位风速值。热敏风速仪如图4 所示。通过蜂窝器和阻尼网将风机产生的涡旋风场通过平台扩散段压缩整合，使风场平直进入实验段。蜂窝器引导气流，使其与风洞轴线平行，从而将气流中的大涡流划分为小涡流，使气流的紊流度下降，使其更接近环境风［10］。

图3 风机和阻尼网

图4 热敏风速仪

1.2 气体泄漏模块

海洋平台常伴有危险气体泄漏风险，各平台因其生产工艺流程及处理介质不同，泄漏气体有甲烷、乙烷、丙烷、硫化氢等［11］。本实验假定潜在的泄漏气体为丙烷。考虑到燃爆风险，实验中选用与丙烷分子量一致，空气动力学特征相近的二氧化碳作为实验气体开展泄漏实验［12-13］。

气体泄漏系统包括二氧化碳气瓶、橡胶管、阀门、浮板流量计等设备，用于模拟实际气体泄漏中的工况情况，包括泄漏速率、泄漏位置等。平台模型中泄漏设备的侧面和顶部存在预留孔，通过橡胶管固定在不同位置来控制泄漏位置；利用二氧化碳气瓶和浮板流量计控制二氧化碳泄漏速率，从而模拟不同的实验工况，开展不同工况的气体泄漏实验。

1.3 数据采集模块

数据采集模块的主要硬件设备为34 个二氧化碳气体探测传感器，分布于平台模型中实时监测气体泄漏后该点的浓度变化。各层甲板和平台气体监测器布置见图5 所示。利用数据采集软件实时显示并记录各个监测点的浓度变化数据。本平台选择体积偏小的传感器以避免其体积过大对监测效果产生较大的系统误差［14］。

图5 平台缩尺模型中的气体监测器布置图

1.4 CFD预设模型

教师基于实验教学平台及其中预设的海洋平台模型建立1∶1的Gambit 模型，模型长宽高尺寸为1.5 m×0.8 m×0.85 m，网格划分见图6 所示。通过网格无关性分析选取计算精度和计算时间较为平衡的网格用于开展教学实验模拟，网格数量为5 976 685［11］。

图6 网格划分图

配置高性能服务器进行教学实验的数值模拟，12th Gen Intel（R）Core（TM）i9-12900K 3.20 GHz，24核，RAM：128G。对于给定的泄漏实验场景，教师预先确定好边界条件、选用模型、监测点、湍流模型等CFD计算所需参数。

2 实验步骤与方法

实验包括数值模拟与实操泄漏实验两部分。第1阶段，教师提供上述预设好的CFD模型供同学运行并模拟泄漏扩散过程。主要包括：讲解理论原理和设置泄漏参数、初始化的方法，学生在高性能计算机上对气体泄漏扩散模型进行模拟，获得数值模拟预测的浓度场。第2 阶段为学生开展泄漏及检测实验，在实验平台上设置相同的泄漏工况条件，开展重复实验并采集实验数据。自主设计数据处理与分析方案。实验结束后，以小组为单位提交实验报告。具体实验步骤如下：

（1）准备阶段。将气体监测器布置在海洋平台模型上，明确实验工况，确定好实验中的各项参数，泄漏速率、泄漏位置、风向、风速、温度等，进行实验记录。安装装置侧板和顶板、使用风速检测仪测量风速，使风速与模拟参数保持一致。

（2）实验过程。实验开始前，关闭门窗，进行二氧化碳传感器校零操作，使二氧化碳传感器面板初始浓度为空气中二氧化碳的浓度并保持稳定。启动风机和调速器，使用风速检测仪以及配套设备软件，测量风速和温度。

实验时，打开二氧化碳气瓶阀门，通过减压阀和流量计保证二氧化碳泄漏速率与模拟参数一致。待稳定后，开启阀门进行实验并记录数据。为了确保实验的准确性，同一场景做3 次重复实验［15］。变更二氧化碳泄漏位置和风机风向，重复实验操作，可以采集不同泄漏工况时的实验数据。

实验结束后，关闭气瓶阀门，排空装置中剩余气体，关闭风机和电源。

（3）CFD模拟。基于上述已建立的CFD模型，学生设置与实验工况对应的泄漏参数，在高性能计算机上开展CFD模拟。瞬态模拟，时间步长设为0.5 s，泄漏时间设为600 s，单个泄漏场景模拟CPU Time 约需636，319 s。学生按实验分组预约高性能服务器计算机时，设置参数开展模拟。模拟结束后得到模拟数据，结合实验平台中得到的实验数据自主设计方案开展实验分析。

3 实验结果与分析

以下选取某次教学实验为例，展示依托该平台开展教学实验取得的气体泄扩散规律展示、CFD 模拟结果实验验证等方面的效果。

（1）气体泄漏扩散规律展示。由于二氧化碳为无色气体，学生在实操泄漏实验时并不能感受直观气体泄漏扩散规律。通过CFD 模拟结果的后处理图片或视频向学生直观感受气体泄漏扩散规律。图7 为东风条件下立式罐发生泄漏时二氧化碳浓度等值面图，从图上可以看出，泄漏的二氧化碳气云在50 s时已经扩散到海洋平台中的各层甲板处，且受风场影响气云向西聚拢；200 s时二氧化碳气云团受风场影响大部分聚集在海洋平台的西部。学生可借助图片和视频形象理解气体泄漏扩散过程。

图7 二氧化碳泄漏浓度等值面图

（2）实验数据与CFD 模拟结果的对比。该场景中有浓度记录的探测器编号及所采集数据及对应的模拟结果如图8 所示。实验结果在75 s左右趋于稳定，CFD模拟值在50 s时趋于稳定，并在CFD模拟值附近上下波动。由图8 可见，CFD 模拟值与实验值变化趋势一致，趋于稳定后的数值误差较小。

进一步引入相对误差及均方根误差对比以上工况的检验模拟值和实验值［16］。如图9 所示，相对误差基本在15%以内；均方根误差小于1.79 μmol/L，与图8所展示的二氧化碳312.5 μmol/L 的浓度范围对比可见，模拟值和实验值离散程度较小。

图9 工况1相对误差与均方根误差

该次教学实验共设置有12 个泄漏工况，使用上述方法得到12 组不同工况下实验结果和模拟结果的相对误差和均方根误差如图10～11 所示。对比可见，大部分工况的相对误差都在15%以下，均方根差都在4.46 μmol/L以下，表明了达到稳态后，CFD 模拟结果与实验结果呈现出较好的一致性。

图10 不同工况下的相对误差

图11 不同工况下的均方根差

4 结语

开发了一种气体泄漏扩散实验规律验证的教学实验平台，并设计实施了相应教学实验方案。通过开展气体泄漏扩散实验，检测气体浓度场，并将实验数据与对应的CFD模拟数据对比，可达到直观认识气体泄漏扩散规律及验证CFD 模拟结果的效果。且该实验平台兼具安全性、便捷性和经济性的特点。该实验平台和教学实验的应用推广，可为安全工程专业学生提供一条直观认识气体泄漏扩散规律、理解CFD 在QRA中应用的可行途径。