cfd軟件在安全生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用

1、《 化 工安 全 與環(huán)境 》 2 0 1 0年 第 4 1期 · 總第 1 0 5 3期 ·C F D軟件在 安全生產(chǎn)領(lǐng)域 的應(yīng)用 汪 麗莉 施祖 建 徐 輝 波 江 蘇省安全 生產(chǎn)科 學(xué)研 究院 在 安全評 價 中 ，通常 要對 潛 在 的事 故進 行 分析 ，對其 發(fā) 生的可能性和造 成損 失 的嚴(yán) 重程 度進 行評 估 。其 中火 災(zāi) 、爆 炸 、中毒 經(jīng)常造成 嚴(yán)重 的人 員傷 亡 和 巨大 的財產(chǎn) 損 失

2、，影 響 安全 生產(chǎn)和社會 安定 ，是常 見 的重 大事 故 ，因此對 這 類 重大 事 故 的 后 果 評 估 是 安 全 評 價 T 作 中 的 一 個 重 點 。 重 大 事 故 后 果評 估 不 僅 能 識 別 出 安 全 生 產(chǎn) 中 的 潛 在 重 大 危 險 ，有 針 對 性 地提 高防范意識 ，制定相 應(yīng) 的 緊急預(yù) 案 ，最大 限度 地 降低 事 故發(fā) 生的可能性 ，以及事 故發(fā) 生時 的危 害程 度 ，更能 有效 減

3、小這 些 重 大 事 故 易 發(fā) 生 的 多 米諾 效 應(yīng) 。通常 ，對 重大 事故 的 后果 評價 一般 采 用泄 漏 、火 災(zāi)、爆 炸 、中毒等評價模 型來 描述 ，如 朱 小紅 等采 用 T N T當(dāng)量法 和 T N O ( Mu l t i —E n e r g y ) 模 型 對 液 氨 儲 罐 區(qū) 的氨 氣 發(fā) 生 蒸 氣 云 爆 炸和 中 毒 事 故 進 行 了 模 擬 計 算 ，確 定 了 由 爆 炸 引 起 的 受 傷

4、 半 徑和 由中毒擴 散 引起 的人 員中毒 的死 半徑 ，為液 氨 儲存 企 業(yè)制定事故 應(yīng)急救 援預(yù) 案提 供 參考 。采 用 這些 數(shù)學(xué) 模 型來 描 述復(fù) 雜的現(xiàn) 象時 ，往 往是 在一 系列 的假 設(shè) 前提 下按 理 想情 況 處 理 的 ， 有 些模 型 經(jīng) 過 小 型 試 驗 的 驗 證 ， 有 的 則 可 能 與 實 際 情 況 有 很 大 的 出入 。近年來 ，計算機 硬件 和 軟件 技 術(shù) 的發(fā)展 和 數(shù)值 計算 方

5、 法 的曰趨成 熟 ，促進 了計 算流 體 力學(xué) ( C F D) 的發(fā) 展。通 過計 算流體力學(xué)軟件 ，可以進行 流場分 析 、流場 計算 、流場 預(yù)測 。在安全生產(chǎn)領(lǐng)域 ，通過 C F D軟件對 火 災(zāi)、爆 炸等 重大 事故 進 行數(shù)值模擬 ，相 比傳統(tǒng) 的事故評價模 型 ， C F D軟件通過計算得 到 的事故后果 分 析 更 為 準(zhǔn) 確 ，其 呈現(xiàn) 方 式 更 為 生 動 、直 觀 。C F D能處理 的范 圍更加 廣泛 ，適

6、用性 更強 ，能得 到信 息 豐富 的模擬結(jié)果 ，對重 大事 故 的預(yù)測 以及 相 應(yīng) 的應(yīng) 急救援 的指 導(dǎo) 更為科學(xué) 。一、 C F D 軟 件簡 介 C F D軟件 是在 質(zhì)量 守恒 方 程 、動 量 守恒 方 程 、能 量 守恒 方程這些流動基 本方 程作 為控 制方 程 下 ，對 復(fù) 雜流 場 內(nèi)各 個 位置上的基本物理 量 的分 布及 其隨 時 間的變化 特 征等 進行 數(shù) 值模擬 ，采用數(shù)值計 算方 法 ，對控 制 方程

7、進 行 離散 ，求得 這 些 物 理 量 的近 似 數(shù) 值 解 。C F D軟 件 通 常 包 括 三 個 基 本 模 塊 ： 前 處 理 器 、求 解 器 和 后處理器 。前處理器完 成前 處理 工作 ，用于 向 C F D軟 件輸 入 要求解問題的相 關(guān)數(shù) 據(jù) ，如 定 義求 解 問題 的幾 何計 算 域 ，劃 分網(wǎng)格 ，實際問題 建模 并選 擇相 應(yīng) 的控 制 方程 ，定義 流體 的屬性參數(shù) ，指定邊 界條 件及 初 始條 件 等

8、。求解 器 完成 數(shù) 值求 解過程 ，通過有限差 分 、有 限 元 、譜 方 法或 有 限體 積 法等 數(shù) 值計 算 方 法 完 成 計 算 任 務(wù) ，并 生 成 結(jié) 果 數(shù) 據(jù) 。 后 處 理 器 對 生 成的結(jié)果數(shù)據(jù) 進 行組 織和 詮 釋 ，采 用 幾伺 模 型 、網(wǎng) 格 顯 示 、矢量 圖、等值 線圖 、散點 圖 、粒 子 軌跡 圖或 其他 的形 式顯 示 計算 結(jié)果。二 、F l u e n t 軟 件簡 介 安全評 價 F

9、l u e n t 是全 球領(lǐng) 先 的商 用流 體 分析 軟件 ，是 A N S Y S公 司 的產(chǎn) 品。F l u e n t 的物 理模型豐富 ，應(yīng)用范 圍廣泛 ，用戶界面友 好 ，算 法 健 壯 。 F l u e n t 的 軟 件 設(shè) 計 基 于 C F D 軟 件 群 的 思 想 ，從用 戶需求角度 出發(fā) ，針對 各 種復(fù) 雜流 動 的物理 現(xiàn) 象 ，采 用 不 同的離 散格 式 和數(shù) 值 方 法 ，在 特 定 的領(lǐng) 域 內(nèi)

10、使計 算 速 度 、穩(wěn)定性和精度 等方 面達 到最 佳組 合 ，從 而 高效 率地 解決 各個 領(lǐng) 域 的復(fù) 雜 流 動 計 算 問題 。前處理 ，F(xiàn) l u e n t 提供 專門的 = f = 具 G A MB I T來生成 幾何 模 型及創(chuàng)建 網(wǎng)格 ，也可用 來導(dǎo)人 C A D文件 ，允許 用 戶根據(jù)具 體 情 況 對 網(wǎng)格 進 行 修 改 ，還 提 供 了 ， 采 用 最 新 技 術(shù) 的 體 網(wǎng) 格 生 成 工具 T G r i

11、 d 。 G A MB I T和 T G r i d都 具 有 自 動 劃 分 網(wǎng) 格 及 通 過 邊 界層技術(shù) 、非均 勻 網(wǎng)格 尺 寸函數(shù) 及 六面 體為核 心 的 網(wǎng)格技 術(shù) 快 速 生 成 混 合 網(wǎng)格 的 功 能 。F I u e n t 適用非結(jié) 構(gòu)化 網(wǎng)格技術(shù) ，可 以適 用二維的四邊形 和 三角形單元 、三維 的四 面體 核 心 單元 、六面 體 核心 單元 、棱 柱 和 多 面 體 單 元作 為 網(wǎng) 格 單 元 計 算

12、 。 同 時 ，F(xiàn) l u e n t 還 提 供 豐 富 的物理模型 、久經(jīng) 考驗 的數(shù)值 算法 ，其 求解器 具 有 良好的 魯 棒性 ，保證了計算 結(jié)果的精度和計算時 間。F l u e n t 的 后 處 理 可 以 生 成 有 實 際 意 義 的 圖 片 、 動 畫 、 報 告 ，其結(jié)果可 以非常 容易 地轉(zhuǎn) 換成 易 于理 解 的圖形 、表面 渲 染 、跡線追蹤等 ，F(xiàn) l u e n t 的數(shù) 據(jù)結(jié)果還可以導(dǎo)入 到第三方

13、的圖 形處理軟件或 C A E中作進一步 的分析 。C F D在安 全領(lǐng) 域 的應(yīng) 用主 要體 現(xiàn)在 火 災(zāi)的模 擬 上。殷德 山等利用 F l u e n t 對理 想單 室燃 氣 泄漏 火災(zāi) 的傳 質(zhì)過 程進 行 了 模 擬 ，得出了火場 中的流場 、瀉度 場 及有 害氣 體濃 度場 的分 布 ，為定量火災(zāi)煙 氣流 動過程 以及 建 立不 同危 險等 級 的危險 區(qū)域提出了依據(jù) 和研 究 方法 。成劍 林等 利 用 F l u e

14、n t 對地 鐵火 災(zāi)進行了模擬 ，得 到 了任 意時 刻隧 道 各部 分 的溫度 場 、壓 力 場 、煙氣濃度及 通 風(fēng) 風(fēng)速 的影 響 ，與 實驗 過 程 及 結(jié) 果吻 合 。A b u— Z a i d 在 地 鐵 站 自 然 通 風(fēng) 條 件 下 對 3個 不 同 的 著 火 點 運 用 F l u e n t 分別 進行模擬 ，指出在地鐵 火災(zāi) 中為了保證乘 客的安全 必須要使用機械 通風(fēng) 。李兆 文等根 據(jù) 我 國火多 數(shù)現(xiàn)

15、有地 鐵站 的建 筑 結(jié) 構(gòu) 模 式 建 立 了雙 層 地 鐵 車 站 的 物 理 模 型 ，利 用 F l u e n t完或 了火災(zāi)煙流三 維動 態(tài) 的場模 擬 ，為地鐵 站 火災(zāi) 發(fā)生 時人 員 的 安 全 疏 散 及 煙 氣 的 控 制 提 供 了 ? 定 的 理 論 基 礎(chǔ) 。徐 新 喜 等運 用計算 流體 動 力學(xué)方 法 ，利用 F l u e n t 求 解計 算 ，對 具有 趣 壓防護功能的某 化 學(xué)事 故應(yīng)急 救援 手

16、術(shù) 方艙 室 內(nèi)氣體 污染 物運 動擴散 的規(guī) 律 以及 對 人 員安 全 的影 響進 行 了 數(shù)值 模 擬。白音等利用 F l u e n t 對 不 同火 災(zāi) 曲線 和火 源功 率下 ，典型 尺寸 模 型的溫度場隨 時 間與空 間的 分布 情況 進行 了計 算模 擬 ，并 與 我國 《 鋼結(jié) 構(gòu)防火技 術(shù)規(guī)程》 ( 征 求意見稿 )中近似公式計 算結(jié)果相 對比。黃琴等運 用 C F D軟件 F l u e n t 中 的標(biāo) 準(zhǔn)雙 方

17、程 - CH E MI C A L S A F E T Y & E NV l R O N M E N 丁 @ —— ·11·湍流模型 ，對 重氣瞬 時和連續(xù) 泄 漏 的擴 散進 行 了模擬 ，預(yù)測 了重氣擴散過程 中參數(shù) 的變化 ，并通 過將 模擬 的最 大摩 爾濃 度進行誤差統(tǒng) 計計 算 ，表 明了 F l u e n t 對于 連續(xù) 泄漏源 的擴 散 模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性 ，說 明 C F D模型 能準(zhǔn)確預(yù)

18、 測重氣 擴散 過程 中氣體濃度 的變化 ，可 以應(yīng)用 于實際 的風(fēng) 險分析 和 安全評 價 中 。三 、P HOE N I C S軟 件簡 介 P H O E N I C S是在 1 9 8 1年 第一 個 投 放 市場 的 C F D商 用 軟 件。其采 用的 S I MP L E方法 、混 合格 式 等基 本算 法 對后 來 的 C F D軟件有很大影響。P HO E N I C S的特 點是計算能力強 、模 型 簡單 、速度快

19、，便于模擬 前期 的參 數(shù)初 值估 算 。但 由于 其計 算模 型較 少，所形成 的 網(wǎng)格要 求正 交貼體 ，后處理 設(shè)計 不完 善，軟件 的功能總 量 較 少 ，缺 乏使 用 群體 和 版 本 更新 速 度 ，雖然曾經(jīng)在工業(yè)界得到 了較廣泛 的應(yīng)用 ，隨著其他 C F D軟件 的興 起 ，其 應(yīng) 用 受 到 了 很 大 的 限 制 ， 目前 其 應(yīng) 用較 少 。趙會軍等在考慮重力影響的基礎(chǔ) 上 ，基于 紊流模式理 論 ，建立儲氣罐區(qū)

20、氣體 泄漏擴 散數(shù) 學(xué)模 型 ，采 用 P H O E N I C S對其 進行數(shù)值求解 ，其 結(jié)果 表明使 用 P H O E N I C S模 擬儲 氣罐 區(qū)氣 體泄漏的擴散 問題 是可行 的 ，其研 究結(jié)果 為液 化氣 與毒 氣罐 區(qū)氣體泄漏事故應(yīng) 急處理 提供 參考依 據(jù) ，也對 罐區(qū) 濃度探 測 點位置的安放有重要指導(dǎo)意義。四、L S—D Y NA簡 介 L S— D Y N A是 著名 的通 用顯式 動力 分析程 序 ，能

21、夠模 擬 真實世界的各種復(fù) 雜問題 ，特別適 合求 解各 種二 維、三維 非 線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞 、爆炸和 金屬成 型等 非線性 動 力沖擊 問 題 ，同時可以求解傳熱 、流體及流固耦合問題 。A N S Y SL S— D Y N A結(jié)合了 工業(yè)界公 認(rèn)最 佳 的有限 元 素前 后處理器 、采 用顯 性 ( e x p l i c i t ) 非線 性 結(jié)構(gòu) 模 擬 能力 。A N —S Y SL S—D Y N A可 同時支援 2

22、D與 3 D顯 性元 素 ，具備 非常 完 整的單一表面 ，面 對面 與點對 面 的接觸 部分 ，不 但有接 觸 分 析 選項 ，而且 能 自 動 建 立 接 觸 面 。A N S Y SL S～D Y N A 也 提 供 快速 求解流程 的選項 。對 稱 多項 式 處理 法 ( S y m m e t r i cM u l t i —p r o c e s s i n g ， S M P) 與 大 量 平 行 處 理 法 ( Ma s

23、 s i v e l yP a r a l l e lP r o —c e s s i n g ， MMP )最佳 化多 C P U系統(tǒng) 的處理 性 能，可在短 時 間 內(nèi) 完成 顯 性 模 擬 的結(jié) 果 。因為 A N S Y SL S —D Y N A根據(jù) 與 A N S Y SMu h i p h y s i c s 相 同的 高級技 術(shù)所建立 ，非常容 易地與 其他 A N S Y S的產(chǎn) 品結(jié)合 ，可 根據(jù) 個人 的需要作修改

24、 。將 A N S Y SS t r u c t u r a l 或是 A N S Y SMe —c h a n i c a l 與 A N S Y SL S— D Y N A結(jié)合 ，則具有全面 的結(jié)構(gòu)模擬能 力。王 可 強 等 利 用 L S—D Y N A程 序 對 T N T理 想 爆 炸 源 的 爆 炸 進行 ，數(shù)值模擬 ，并 與經(jīng)驗 公式 的計 算結(jié)果 進行 了對 比 ，得 出 r數(shù)值模擬方法 可行 的結(jié)論 ，并在 此基礎(chǔ) 上

25、 ，對 一個建 筑 小區(qū)遭受爆炸后 的響應(yīng)作 了進一 步 的模 擬 。段 卓平 等通 過對 某地下彈藥庫爆炸沖 擊波傳 播過程 進行 了較詳細(xì) 的分 析和 數(shù) 值模擬 ，得到了彈 藥爆 炸時地面 空氣 沖擊波 的等 效經(jīng) 驗計 算 公式 ，并且用等效 經(jīng)驗計 算公式 和數(shù) 值模擬 得到 的不 同距 離 的沖擊波超壓值 基本 一致 。王 淑玲等 用傳 熱行 為分析 火災(zāi) 環(huán) 境下液化石油氣 儲罐 的失效 過程 時 ，并用 L S—D Y

26、N A對其 失 效過程進行了數(shù) 值模擬 ，為石 油化工領(lǐng) 域 中罐 區(qū)安全 間距 的 制定提供了理論 指導(dǎo)和 依據(jù) 。羅 艷等對 液化 石 油氣儲 罐 的失 效過程中破片撞擊 的影 響進行 了數(shù) 值模 擬 ，分析 了碎 片撞 擊 罐體的變化 過程 ，為石 油化 工 領(lǐng) 域 中罐 區(qū)安 全 間距 的制定 ，尤其是考慮到多米諾效應(yīng)情況下的規(guī)則制定提供了理論依據(jù)。五 、F D S軟件 簡介 F D S是 由美 國國家標(biāo) 準(zhǔn)研 究所 ( N I

27、 S T )建 筑 與火災(zāi) 研 究 實驗 室 ( B F R L )開發(fā) 的一種 以火災(zāi) 中流體運 動為主要 模擬對 象的計 算流體 力學(xué)軟 件 。F D S模 型以 大渦 模型 為基 礎(chǔ) ，采 用 數(shù)值方法求解火災(zāi)浮力驅(qū)動 的低馬赫數(shù) 流動 的 N—S方程 ，重 點計算火災(zāi) 中的煙氣和熱傳遞過程 。F D S火 災(zāi)模 擬 軟件 包 含 F D S 和 S o m k e v i e w兩 部 分 ，F(xiàn) D S是 軟件 的主 體 部 分

28、 ，主 要 完 成 模 擬 場 景 的構(gòu) 建 和 計 算 ，而 S o mk e v i e w是 F D S計算結(jié)果后處理程序 ，它既能處理動 態(tài)數(shù)據(jù) 也能顯示靜態(tài)數(shù) 據(jù) ，并將這 些數(shù) 據(jù) 以二維 或三 維形 式顯現(xiàn) 出 來 。F D S 能建 模 的實 體 的最 小 單 元 是立 方 體 ，對 傾 斜 實體 、弧狀實體等特殊形 狀 的實體 ，要采 取分解 原理 ，把 某一特 殊 形狀實體分解成若干個立方體單元 。F D S對空 間

29、坐 標(biāo) 的微分 項采 用二 階 中心差 分離 散 ，時 間 的微分項采用二階 r u n g e —k u t t a法離散 ，對 p o i s s o n方程 形式的 壓力微分方程 則采用傅 立葉變換 法求解。F D S可以 和 S o m k e v i e w配 套使 用 ，以動 態(tài) 現(xiàn) 實其 模 擬 結(jié) 果 。鄭立剛等 采用 F D S 模 擬 了標(biāo)準(zhǔn) 受限空 間細(xì) 水霧熄 滅煤 油 火 ，預(yù)測 的溫度場 和 滅火時 間 與試

30、驗 結(jié)果 有較 好 的吻合 。馮 瑞等針對 某大 型超 市的實 際建 筑結(jié)構(gòu) 以及 人 員分布 情況 ，利 用計 算機模擬 了幾 種不 同情況 下的火 災(zāi)場 景 ，研 究了火 災(zāi)情 況下 影響人員疏散 的因素 ，并 根據(jù) 煙氣 運動和 人 員疏散 模擬 的結(jié)果 ，對該超 市人 員疏散樓 梯 的數(shù)量 、寬度 以及 位置 分布 進 行 評 估 ，指 出了 實 際 超 市 火 災(zāi) 過 程 中 人 員 疏 散 應(yīng) 該 注 意 的 一 些 問題

31、，給 出了 合理 的防火 分區(qū)劃 分 以及疏 散樓 梯 的分配 方式 ，對超市建筑人 員疏散具有一定 的指 導(dǎo)意 義。六 、結(jié) 論 將計算流體力學(xué)軟件 C F D應(yīng) 用在安 全生產(chǎn) 領(lǐng)域 ，尤 其是 在重大事故 的數(shù)值模擬上 ，可以得 到較傳 統(tǒng)事故模 型更精 確、信息更豐富的結(jié) 果 ，這在 安全 評估 、事故預(yù) 防 以及相 應(yīng) 的應(yīng) 急預(yù)案的制訂 上都 有著 重 大 的意 義。在常 見 的 C F D軟 件 中 ，都是對相應(yīng)的質(zhì)量 守

32、恒 、動 量 守恒 、能量 守恒 方程 ，加 上邊 界條件等進行相 應(yīng) 的數(shù) 值求 解 ，C F D軟 件 的模 型 的不 同 ，使 得其適合應(yīng)用 的場 合也 不 同。針對 具體 的計 算要 求 ，選 用適 當(dāng)?shù)?C F D軟件 ，能較快地 得到精度 要求 和計算 速度 都令 人滿 意 的 結(jié)果 。 口 · - 、 2 · ——c H E M l c A L s A F E T Y & E N v l R o