中国石油大学北京计算机辅助安全工程安全模拟与仿真

安全工程信息化技术基础

第四章安全模拟与仿真叶迎春机械与储运工程学院当前第1页\共有56页\编于星期二\0点2(1)模型参数任意调整(2)系统模型快速求解(3)运算结果准确可靠(4)实景仿真形象直观数字仿真的特点数字仿真的作用：(1)优化系统设计(2)降低实验成本(3)减少失败风险(4)提高预测能力当前第2页\共有56页\编于星期二\0点3安全评价安全应急安全训练（虚拟现实）寿命预测(ANSYS，ABAQUS提供结构疲劳分析功能)故障诊断数字仿真在安全工程中的应用当前第3页\共有56页\编于星期二\0点本章目录4.5基于CFD的事故灾害模拟4.6虚拟现实技术4当前第4页\共有56页\编于星期二\0点CFD计算流体动力学：基本思想：将时间和空间域上的连续物理场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的方程组，然后求解代数方程组，获得场变量的近似值。流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、本构方程及状态方程）控制下对流动的数值模拟。54.5基于CFD的事故灾害模拟当前第5页\共有56页\编于星期二\0点事故灾害模拟软件FluentPHAST和SAFETI（DNV开发）FLACS（基于Unix或Linux平台）AutoReaGas（美国CenturyDynamics开发）AUTOHYN（美国CenturyDynamics开发）CHARM（连续地或瞬时地释放气体或液体的模拟）WHAZAN（定量评价石油、化工等工业危险性）64.5基于CFD的事故灾害模拟当前第6页\共有56页\编于星期二\0点SAFETI软件2023/6/1274.5基于CFD的事故灾害模拟当前第7页\共有56页\编于星期二\0点PHAST软件功能泄漏模块：计算物料泄漏到大气环境中的流速和状态扩散模块：对泄漏模块得到的结果以及天气情况进行计算来得到云团的传播扩散情况。燃烧、爆炸模块

毒性模块

2023/6/1284.5基于CFD的事故灾害模拟当前第8页\共有56页\编于星期二\0点PHAST软件实例2023/6/129某进站管线破裂形成喷火最大影响范围图4.5基于CFD的事故灾害模拟当前第9页\共有56页\编于星期二\0点某化肥厂发生氯气泄漏的实时扩散图2023/6/12104.5基于CFD的事故灾害模拟当前第10页\共有56页\编于星期二\0点Fluent软件系统目前处于世界领先地位的CFD软件之一，可用于模拟和分析具有复杂几何结构的流体流动与热传导问题。软件主要由三部分组成：Fluent解算器prePDF（用于计算燃烧过程的预处理软件）Gambit(前处理程序，用于几何图形模拟和网格生成）应用：航空航天，汽车，空调供热，流体机械，化学反应，电子元件冷却，石油开采，换热器等众多领域114.5.2Fluent数值模拟当前第11页\共有56页\编于星期二\0点Fluent的强大功能典型应用:汽车的内流和外流及气缸内的流动高速航天空气动力学火箭的内部流动涡轮机械反应容器的设计台风或飓风，建筑物风环境气泡动力学及两相流混合容器流化床流体诱导噪声的预测煤粉或者油，燃气的燃烧4.5.2Fluent数值模拟12当前第12页\共有56页\编于星期二\0点流动问题几乎都能解决流体和固体的共轭传热问题流体和固体的耦合问题（水流冲击一板条或者鸟类的翅膀扇动的过程，利用动网格）发动机的冷却水套的温度分布催化剂固体颗粒的浓度分布2023/6/12134.5.2Fluent数值模拟当前第13页\共有56页\编于星期二\0点Velocitycontourplotu=u(t),sinusoidalinletvelocityrigidwallrigidwallcompliantwallinitialmesh动脉血管脉动流动的模拟2023/6/12144.5.2Fluent数值模拟当前第14页\共有56页\编于星期二\0点4.5.2Fluent数值模拟电子计算机机箱的热分析与流体的粒子轨迹图搅拌机的速度流线图2023/6/1215当前第15页\共有56页\编于星期二\0点Fluent软件模拟过程164.5.2Fluent数值模拟当前第16页\共有56页\编于星期二\0点用fluent软件如何作论文和应掌握那些方面的知识熟练的建模能力和划分网格的技巧扎实的流体力学和传热学知识，包括计算传热学和计算流体力学知识数据处理和分析的能力编程能力研究的方法和思路要清晰，尽可能快的吸收需要的知识为我所用2023/6/12174.5基于CFD的事故灾害模拟当前第17页\共有56页\编于星期二\0点研究目的和意义含硫气田的钻探开发是石油工业的一个世界性难题。高含硫气井井喷失控是石油及天然气勘探开发中灾难性事故。严重危及人民的生命财产，污染良田，破坏生态环境，造成地下资源损失。开展高含硫气井井喷扩散规律研究具有重大社会意义和经济意义。2003年12月23日，重庆市开县高桥镇罗家寨16H井井喷243人死亡，数千人不同程度中毒，近十万名群众紧急疏散。直接经济损失近亿元；土壤硫化严重。2000年10月，天津大港油田板深七0三井井喷在气井上空形成雾状对附近大气环境造成了严重污染。1993年9月28日,华北油田一口预探井，在试油射孔作业中发生井喷村民6人死亡，24人中等中毒，440余人轻度中毒。污染庄稼近700亩；22.6万人紧急疏散。2023/6/12184.5基于CFD的事故灾害模拟当前第18页\共有56页\编于星期二\0点研究目的和意义目前在川渝、新疆等地区发现多个大型天然气藏。该地区天然气田地质构造复杂，人口稠密，气藏埋藏深度大，具有高含H2S、高压力和高产能的“三高”特点，天然气勘探开发生产存在重大安全风险。川东地区钻完井事故及事故地层分布统计分析事故统计结果表明：对有毒有害气体扩散规律的认识欠缺是导致人员疏散延误和盲目疏散的直接原因。研究泄漏气体的扩散规律，准确预测有毒有害气体的浓度和蔓延方向，是制定应急预案和逃生路线的重要依据。2023/6/12194.5基于CFD的事故灾害模拟当前第19页\共有56页\编于星期二\0点高含硫井喷气体扩散动态机理研究射流极值点D自由射流的流动结构与速度分布YysyTR外边界面

射流核心区内边界面）射流边界层Vy﹐mVy0Vy0喷管出口R0θ初始段基本段转折截面S0井喷气体喷射速度云图

射流核心区三个阶段：初始射流阶段；重力下沉阶段；自由扩散阶段。2023/6/12204.5基于CFD的事故灾害模拟当前第20页\共有56页\编于星期二\0点数值计算软件实体模型生成2D/3D

网格组分运输方程质量动量能量状态方程所支持的物理模型网格的调用和修改材料属性边界条件初始条件计算模型：紊流燃烧辐射多相流相转换动区域动网格前处理Gambit后处理TecplotFluent求解Fluent模拟计算流程2023/6/12214.5基于CFD的事故灾害模拟当前第21页\共有56页\编于星期二\0点研究方案高含硫气体扩散模型模型控制参数整定地形模型建立组分输运方程边界条件的设置简化及算法研究网格划分技术研究复杂山区气体扩散数值模拟计算多种工况不同风速不同硫化氢含量不同大气湿度不同障碍物形式数值计算结果分析2023/6/12224.5基于CFD的事故灾害模拟当前第22页\共有56页\编于星期二\0点边界条件计算参数及边界条件的确定网格设计解算器选择：耦合隐式求解器混合物模型：组分输运模型初始条件：计算域内各点的泄放物质浓度为零壁面条件：标准壁面函数湍流模型：标准k-ε模型计算类型：非定常计算（unsteady）（a）空间结构斜视图（b）空间结构正视图风速入口GXGXGyGZGZ井喷气体出口2023/6/12234.5基于CFD的事故灾害模拟当前第23页\共有56页\编于星期二\0点喷射速度等值线图（硫化氢含量50%）喷射速度等值线图（硫化氢含量90%）喷射速度等值线图（硫化氢含量10%）不同硫化氢含量对高含硫气体扩散的影响（1）不同硫化氢含量（无风）2023/6/12244.5基于CFD的事故灾害模拟当前第24页\共有56页\编于星期二\0点井喷发生稳定后模拟范围内H2S浓度小于100ppm的区域（a）硫化氢含量10%；（b）硫化氢含量50%；（c）硫化氢含量90%硫化氢含量越大，模拟区域内的安全空间越小硫化氢含量越高，含硫天然气的下部硫化氢的积聚越明显。（1）不同硫化氢含量（无风）2023/6/12254.5基于CFD的事故灾害模拟当前第25页\共有56页\编于星期二\0点硫化氢初始质量分数10%扩散75s后气体分布图（a）速度云图；（b）硫化氢浓度云图（c）速度矢量图（2）不同硫化氢含量（风速2m/s）2023/6/12264.5基于CFD的事故灾害模拟当前第26页\共有56页\编于星期二\0点扩散75s后气体分布图（a）速度云图；（b）硫化氢浓度云图（黑色区域为超过100ppm的危险区域）硫化氢初始质量分数90%（2）不同硫化氢含量（风速2m/s）2023/6/12274.5基于CFD的事故灾害模拟当前第27页\共有56页\编于星期二\0点风速5m/s风速1m/s3.2风速对高含硫气体扩散的影响2023/6/12284.5基于CFD的事故灾害模拟当前第28页\共有56页\编于星期二\0点同一湿度，不同温度下气体扩散规律湿度对高含硫气体扩散的影响253K273K293K2023/6/12294.5基于CFD的事故灾害模拟当前第29页\共有56页\编于星期二\0点湿度90%湿度10%湿度对高含硫气体扩散的影响同一温度，不同湿度下气体扩散规律2023/6/12304.5基于CFD的事故灾害模拟当前第30页\共有56页\编于星期二\0点泄漏源与障碍物距离170m，障碍物尺寸为40×50m，风速2m/s硫化氢90%硫化氢10%有毒气体在障碍物背风面沉积。2023/6/12314.5基于CFD的事故灾害模拟当前第31页\共有56页\编于星期二\0点典型高含硫气井井喷事故数值模拟井喷气体成分组成CH4H2SCO2体积分数%84.19%9.02%6.79%质量分数%68%16%16%2003年12月23日发生在重庆市开县高桥镇罗家寨16H井。国内乃至世界气井井喷史上罕见的特大井喷事故建国以来重庆历史上死亡人数最多、损失最重的一次特大事故。243人死亡，数千人不同程度中毒，数万群众紧急撤离。对周围土壤、大气等环境因素造成不同程度的污染。4.5典型高含硫气井井喷事故数值模拟2023/6/1232当前第32页\共有56页\编于星期二\0点井喷气体成分组成CH4H2SCO2体积分数%84.19%9.02%6.79%质量分数%68%16%16%气候温暖湿润，雨量充足，日照偏少气温4.0~8.00C，相对湿度为94%~99%。无阻流量为400×104~1000×104m3/d平均风速为1m/s大气稳定度为D级或E级稳定度外界气压取101325pa。事故现场环境条件4.5典型高含硫气井井喷事故数值模拟2023/6/1233当前第33页\共有56页\编于星期二\0点名称高度h（m）R1（m）R3（m）底面中心坐标地形形状计算区域50025002500（0，0）六棱柱A400900300（-1100，440）六棱台B250800600（-800，-1100）四棱台C100300150（1050，-1250）四棱台D200600400（1370，-230）六棱台E400550250（1650，900）四棱台F4501900100（0，-3400）六棱台重庆开县罗家16H井周边三维地形模型4.5典型高含硫气井井喷事故数值模拟2023/6/1234当前第34页\共有56页\编于星期二\0点当前第35页\共有56页\编于星期二\0点4.5典型高含硫气井井喷事故数值模拟2023/6/1236当前第36页\共有56页\编于星期二\0点4.5典型高含硫气井井喷事故数值模拟2023/6/1237当前第37页\共有56页\编于星期二\0点4.5典型高含硫气井井喷事故数值模拟2023/6/1238当前第38页\共有56页\编于星期二\0点4.5典型高含硫气井井喷事故数值模拟2023/6/1239当前第39页\共有56页\编于星期二\0点距离井口附近500m处井喷初期，硫化氢浓度50ppm；30min后,硫化氢浓度达到200ppm.死亡人员主要分布在距离井口500m以内的范围内;死亡的最远距离出现在距离井口1200m处。不同扩散时间的硫化氢浓度横切面图4.5典型高含硫气井井喷事故数值模拟2023/6/1240当前第40页\共有56页\编于星期二\0点井口上方100m和200m，气体的扩散范围比地面更大。由于16H井的喷射流量非常大，导致高含硫气体的初始动量非常大，带动硫化氢向高处运动。整个毒气气云将周围的几个村庄覆盖，即使住在山顶也不能幸免。扩散30分钟不同高度硫化氢浓度横切面图4.5典型高含硫气井井喷事故数值模拟2023/6/1241当前第41页\共有56页\编于星期二\0点本章目录4.5基于CFD的事故灾害模拟4.6虚拟现实技术42当前第42页\共有56页\编于星期二\0点

虚拟现实（简称VR），又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，而且能够突破空间、时间以及其他客观限制，感受到真实世界中无法亲身经历的体验。

434.6虚拟现实技术2023/6/12当前第43页\共有56页\编于星期二\0点虚拟现实是一种创建和体验虚拟世界的计算机系统。一个完整的虚拟现实系统应具备以下特征(3-I)：沉浸感(immersion)交互性(interaction)想象性(imagination)444.6虚拟现实技术2023/6/12当前第44页\共有56页\编于星期二\0点虚拟现实系统的4个层次：桌面式VR以计算机的屏幕作为参与者观察虚拟境界的交互界面，利用个人计算机和工作站进行仿真。沉浸式VR通过应用显示装置等设备，使参与者完全沉浸在一个全新的虚拟环境而看不到现实世界。增强式VR允许参与者看见真实世界，同时又把虚拟对象叠加在真实的物体上，它是由真实环境和虚拟环境组合而成的系统。网络分布式VR将地理上分布的多个用户或多个虚拟世界通过网络连接在一起，使每个用户同时感受虚拟经历，协同工作。

45454.6虚拟现实技术2023/6/12当前第45页\共有56页\编于星期二\0点在VR系统中，参与者通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和触觉、嗅觉、力觉反馈等一系列反馈信息。当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在参与者的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部环境产生作用。虚拟现实系统的基本组成：（1）效果产生器：参与者与虚拟境界交互的硬件接口装置。（2）实景仿真器：由计算机软、硬件系统、软件开发工具及配套硬件组成，负责接收效果产生器产生的信号。（3）用户应用系统：面向具体问题的软件部分，描述仿真的具体内容。（4）几何构造系统：提供了描述仿真对象的物理特性信息，如外形、颜色、位置等。

464.6虚拟现实技术2023/6/12当前第46页\共有56页\编于星期二\0点虚拟现实系统的基本组成47用户效果产生器计算机接口用户应用系统仿真管理器三维模型数据库跟踪其他输入几何构造系统应用系统实景仿真器信号转换4.6虚拟现实技术当前第47页\共有56页\编于星期二\0点虚拟现实系统的支撑软、硬件（1）跟踪定位装置（如三维空间跟踪定位器）（2）触觉反馈装置（如数据手套和力反馈器）（3）音频设备（如音箱、声卡、麦克风）（4）图像显示与观察设备（如立体眼镜、头盔显示器）（5）高性能计算机

484.6虚拟现实技术当前第48页\共有56页\编于星期二\0点（1）WTK(worldtoolkit)美国Sense8公司开发（2）DWB(designer’sworkbench)除此之外，3DMAX,Cool3D,MulfiGenVega,MulfiGenCreator,MatLAB中的VirtualRealityToolbox

49虚拟现实系统常用软件4.6虚拟现实技术当前第49页\共有56页\编于星期二\0点VR在安全工程中的应用（1）科学研究真实化模拟、直观表示（2）产品安全设计（3）救灾指挥模