中國石油大學北京計算機輔助安全工程安全模擬與仿真

安全工程信息化技術(shù)基礎

第四章安全模擬與仿真葉迎春機械與儲運工程學院當前1頁，總共56頁。2(1)模型參數(shù)任意調(diào)整(2)系統(tǒng)模型快速求解(3)運算結(jié)果準確可靠(4)實景仿真形象直觀數(shù)字仿真的特點數(shù)字仿真的作用：(1)優(yōu)化系統(tǒng)設計(2)降低實驗成本(3)減少失敗風險(4)提高預測能力當前2頁，總共56頁。3安全評價安全應急安全訓練（虛擬現(xiàn)實）壽命預測(ANSYS，ABAQUS提供結(jié)構(gòu)疲勞分析功能)故障診斷數(shù)字仿真在安全工程中的應用當前3頁，總共56頁。本章目錄4.5基于CFD的事故災害模擬4.6虛擬現(xiàn)實技術(shù)4當前4頁，總共56頁。CFD計算流體動力學：基本思想：將時間和空間域上的連續(xù)物理場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點上場變量之間關(guān)系的方程組，然后求解代數(shù)方程組，獲得場變量的近似值。流動基本方程（質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、本構(gòu)方程及狀態(tài)方程）控制下對流動的數(shù)值模擬。54.5基于CFD的事故災害模擬當前5頁，總共56頁。事故災害模擬軟件FluentPHAST和SAFETI（DNV開發(fā)）FLACS（基于Unix或Linux平臺）AutoReaGas（美國CenturyDynamics開發(fā)）AUTOHYN（美國CenturyDynamics開發(fā)）CHARM（連續(xù)地或瞬時地釋放氣體或液體的模擬）WHAZAN（定量評價石油、化工等工業(yè)危險性）64.5基于CFD的事故災害模擬當前6頁，總共56頁。SAFETI軟件2023/3/1874.5基于CFD的事故災害模擬當前7頁，總共56頁。PHAST軟件功能泄漏模塊：計算物料泄漏到大氣環(huán)境中的流速和狀態(tài)擴散模塊：對泄漏模塊得到的結(jié)果以及天氣情況進行計算來得到云團的傳播擴散情況。燃燒、爆炸模塊

毒性模塊

2023/3/1884.5基于CFD的事故災害模擬當前8頁，總共56頁。PHAST軟件實例2023/3/189某進站管線破裂形成噴火最大影響范圍圖4.5基于CFD的事故災害模擬當前9頁，總共56頁。某化肥廠發(fā)生氯氣泄漏的實時擴散圖2023/3/18104.5基于CFD的事故災害模擬當前10頁，總共56頁。Fluent軟件系統(tǒng)目前處于世界領(lǐng)先地位的CFD軟件之一，可用于模擬和分析具有復雜幾何結(jié)構(gòu)的流體流動與熱傳導問題。軟件主要由三部分組成：Fluent解算器prePDF（用于計算燃燒過程的預處理軟件）Gambit(前處理程序，用于幾何圖形模擬和網(wǎng)格生成）應用：航空航天，汽車，空調(diào)供熱，流體機械，化學反應，電子元件冷卻，石油開采，換熱器等眾多領(lǐng)域114.5.2Fluent數(shù)值模擬當前11頁，總共56頁。Fluent的強大功能典型應用:汽車的內(nèi)流和外流及氣缸內(nèi)的流動高速航天空氣動力學火箭的內(nèi)部流動渦輪機械反應容器的設計臺風或颶風，建筑物風環(huán)境氣泡動力學及兩相流混合容器流化床流體誘導噪聲的預測煤粉或者油，燃氣的燃燒4.5.2Fluent數(shù)值模擬12當前12頁，總共56頁。流動問題幾乎都能解決流體和固體的共軛傳熱問題流體和固體的耦合問題（水流沖擊一板條或者鳥類的翅膀扇動的過程，利用動網(wǎng)格）發(fā)動機的冷卻水套的溫度分布催化劑固體顆粒的濃度分布2023/3/18134.5.2Fluent數(shù)值模擬當前13頁，總共56頁。Velocitycontourplotu=u(t),sinusoidalinletvelocityrigidwallrigidwallcompliantwallinitialmesh動脈血管脈動流動的模擬2023/3/18144.5.2Fluent數(shù)值模擬當前14頁，總共56頁。4.5.2Fluent數(shù)值模擬電子計算機機箱的熱分析與流體的粒子軌跡圖攪拌機的速度流線圖2023/3/1815當前15頁，總共56頁。Fluent軟件模擬過程164.5.2Fluent數(shù)值模擬當前16頁，總共56頁。用fluent軟件如何作論文和應掌握那些方面的知識熟練的建模能力和劃分網(wǎng)格的技巧扎實的流體力學和傳熱學知識，包括計算傳熱學和計算流體力學知識數(shù)據(jù)處理和分析的能力編程能力研究的方法和思路要清晰，盡可能快的吸收需要的知識為我所用2023/3/18174.5基于CFD的事故災害模擬當前17頁，總共56頁。研究目的和意義含硫氣田的鉆探開發(fā)是石油工業(yè)的一個世界性難題。高含硫氣井井噴失控是石油及天然氣勘探開發(fā)中災難性事故。嚴重危及人民的生命財產(chǎn)，污染良田，破壞生態(tài)環(huán)境，造成地下資源損失。開展高含硫氣井井噴擴散規(guī)律研究具有重大社會意義和經(jīng)濟意義。2003年12月23日，重慶市開縣高橋鎮(zhèn)羅家寨16H井井噴243人死亡，數(shù)千人不同程度中毒，近十萬名群眾緊急疏散。直接經(jīng)濟損失近億元；土壤硫化嚴重。2000年10月，天津大港油田板深七0三井井噴在氣井上空形成霧狀對附近大氣環(huán)境造成了嚴重污染。1993年9月28日,華北油田一口預探井，在試油射孔作業(yè)中發(fā)生井噴村民6人死亡，24人中等中毒，440余人輕度中毒。污染莊稼近700畝；22.6萬人緊急疏散。2023/3/18184.5基于CFD的事故災害模擬當前18頁，總共56頁。研究目的和意義目前在川渝、新疆等地區(qū)發(fā)現(xiàn)多個大型天然氣藏。該地區(qū)天然氣田地質(zhì)構(gòu)造復雜，人口稠密，氣藏埋藏深度大，具有高含H2S、高壓力和高產(chǎn)能的“三高”特點，天然氣勘探開發(fā)生產(chǎn)存在重大安全風險。川東地區(qū)鉆完井事故及事故地層分布統(tǒng)計分析事故統(tǒng)計結(jié)果表明：對有毒有害氣體擴散規(guī)律的認識欠缺是導致人員疏散延誤和盲目疏散的直接原因。研究泄漏氣體的擴散規(guī)律，準確預測有毒有害氣體的濃度和蔓延方向，是制定應急預案和逃生路線的重要依據(jù)。2023/3/18194.5基于CFD的事故災害模擬當前19頁，總共56頁。高含硫井噴氣體擴散動態(tài)機理研究射流極值點D自由射流的流動結(jié)構(gòu)與速度分布YysyTR外邊界面

射流核心區(qū)內(nèi)邊界面）射流邊界層Vy﹐mVy0Vy0噴管出口R0θ初始段基本段轉(zhuǎn)折截面S0井噴氣體噴射速度云圖

射流核心區(qū)三個階段：初始射流階段；重力下沉階段；自由擴散階段。2023/3/18204.5基于CFD的事故災害模擬當前20頁，總共56頁。數(shù)值計算軟件實體模型生成2D/3D

網(wǎng)格組分運輸方程質(zhì)量動量能量狀態(tài)方程所支持的物理模型網(wǎng)格的調(diào)用和修改材料屬性邊界條件初始條件計算模型：紊流燃燒輻射多相流相轉(zhuǎn)換動區(qū)域動網(wǎng)格前處理Gambit后處理TecplotFluent求解Fluent模擬計算流程2023/3/18214.5基于CFD的事故災害模擬當前21頁，總共56頁。研究方案高含硫氣體擴散模型模型控制參數(shù)整定地形模型建立組分輸運方程邊界條件的設置簡化及算法研究網(wǎng)格劃分技術(shù)研究復雜山區(qū)氣體擴散數(shù)值模擬計算多種工況不同風速不同硫化氫含量不同大氣濕度不同障礙物形式數(shù)值計算結(jié)果分析2023/3/18224.5基于CFD的事故災害模擬當前22頁，總共56頁。邊界條件計算參數(shù)及邊界條件的確定網(wǎng)格設計解算器選擇：耦合隱式求解器混合物模型：組分輸運模型初始條件：計算域內(nèi)各點的泄放物質(zhì)濃度為零壁面條件：標準壁面函數(shù)湍流模型：標準k-ε模型計算類型：非定常計算（unsteady）（a）空間結(jié)構(gòu)斜視圖（b）空間結(jié)構(gòu)正視圖風速入口GXGXGyGZGZ井噴氣體出口2023/3/18234.5基于CFD的事故災害模擬當前23頁，總共56頁。噴射速度等值線圖（硫化氫含量50%）噴射速度等值線圖（硫化氫含量90%）噴射速度等值線圖（硫化氫含量10%）不同硫化氫含量對高含硫氣體擴散的影響（1）不同硫化氫含量（無風）2023/3/18244.5基于CFD的事故災害模擬當前24頁，總共56頁。井噴發(fā)生穩(wěn)定后模擬范圍內(nèi)H2S濃度小于100ppm的區(qū)域（a）硫化氫含量10%；（b）硫化氫含量50%；（c）硫化氫含量90%硫化氫含量越大，模擬區(qū)域內(nèi)的安全空間越小硫化氫含量越高，含硫天然氣的下部硫化氫的積聚越明顯。（1）不同硫化氫含量（無風）2023/3/18254.5基于CFD的事故災害模擬當前25頁，總共56頁。硫化氫初始質(zhì)量分數(shù)10%擴散75s后氣體分布圖（a）速度云圖；（b）硫化氫濃度云圖（c）速度矢量圖（2）不同硫化氫含量（風速2m/s）2023/3/18264.5基于CFD的事故災害模擬當前26頁，總共56頁。擴散75s后氣體分布圖（a）速度云圖；（b）硫化氫濃度云圖（黑色區(qū)域為超過100ppm的危險區(qū)域）硫化氫初始質(zhì)量分數(shù)90%（2）不同硫化氫含量（風速2m/s）2023/3/18274.5基于CFD的事故災害模擬當前27頁，總共56頁。風速5m/s風速1m/s3.2風速對高含硫氣體擴散的影響2023/3/18284.5基于CFD的事故災害模擬當前28頁，總共56頁。同一濕度，不同溫度下氣體擴散規(guī)律濕度對高含硫氣體擴散的影響253K273K293K2023/3/18294.5基于CFD的事故災害模擬當前29頁，總共56頁。濕度90%濕度10%濕度對高含硫氣體擴散的影響同一溫度，不同濕度下氣體擴散規(guī)律2023/3/18304.5基于CFD的事故災害模擬當前30頁，總共56頁。泄漏源與障礙物距離170m，障礙物尺寸為40×50m，風速2m/s硫化氫90%硫化氫10%有毒氣體在障礙物背風面沉積。2023/3/18314.5基于CFD的事故災害模擬當前31頁，總共56頁。典型高含硫氣井井噴事故數(shù)值模擬井噴氣體成分組成CH4H2SCO2體積分數(shù)%84.19%9.02%6.79%質(zhì)量分數(shù)%68%16%16%2003年12月23日發(fā)生在重慶市開縣高橋鎮(zhèn)羅家寨16H井。國內(nèi)乃至世界氣井井噴史上罕見的特大井噴事故建國以來重慶歷史上死亡人數(shù)最多、損失最重的一次特大事故。243人死亡，數(shù)千人不同程度中毒，數(shù)萬群眾緊急撤離。對周圍土壤、大氣等環(huán)境因素造成不同程度的污染。4.5典型高含硫氣井井噴事故數(shù)值模擬2023/3/1832當前32頁，總共56頁。井噴氣體成分組成CH4H2SCO2體積分數(shù)%84.19%9.02%6.79%質(zhì)量分數(shù)%68%16%16%氣候溫暖濕潤，雨量充足，日照偏少氣溫4.0~8.00C，相對濕度為94%~99%。無阻流量為400×104~1000×104m3/d平均風速為1m/s大氣穩(wěn)定度為D級或E級穩(wěn)定度外界氣壓取101325pa。事故現(xiàn)場環(huán)境條件4.5典型高含硫氣井井噴事故數(shù)值模擬2023/3/1833當前33頁，總共56頁。名稱高度h（m）R1（m）R3（m）底面中心坐標地形形狀計算區(qū)域50025002500（0，0）六棱柱A400900300（-1100，440）六棱臺B250800600（-800，-1100）四棱臺C100300150（1050，-1250）四棱臺D200600400（1370，-230）六棱臺E400550250（1650，900）四棱臺F4501900100（0，-3400）六棱臺重慶開縣羅家16H井周邊三維地形模型4.5典型高含硫氣井井噴事故數(shù)值模擬2023/3/1834當前34頁，總共56頁。當前35頁，總共56頁。4.5典型高含硫氣井井噴事故數(shù)值模擬2023/3/1836當前36頁，總共56頁。4.5典型高含硫氣井井噴事故數(shù)值模擬2023/3/1837當前37頁，總共56頁。4.5典型高含硫氣井井噴事故數(shù)值模擬2023/3/1838當前38頁，總共56頁。4.5典型高含硫氣井井噴事故數(shù)值模擬2023/3/1839當前39頁，總共56頁。距離井口附近500m處井噴初期，硫化氫濃度50ppm；30min后,硫化氫濃度達到200ppm.死亡人員主要分布在距離井口500m以內(nèi)的范圍內(nèi);死亡的最遠距離出現(xiàn)在距離井口1200m處。不同擴散時間的硫化氫濃度橫切面圖4.5典型高含硫氣井井噴事故數(shù)值模擬2023/3/1840當前40頁，總共56頁。井口上方100m和200m，氣體的擴散范圍比地面更大。由于16H井的噴射流量非常大，導致高含硫氣體的初始動量非常大，帶動硫化氫向高處運動。整個毒氣氣云將周圍的幾個村莊覆蓋，即使住在山頂也不能幸免。擴散30分鐘不同高度硫化氫濃度橫切面圖4.5典型高含硫氣井井噴事故數(shù)值模擬2023/3/1841當前41頁，總共56頁。本章目錄4.5基于CFD的事故災害模擬4.6虛擬現(xiàn)實技術(shù)42當前42頁，總共56頁。

虛擬現(xiàn)實（簡稱VR），又稱靈境技術(shù)，是以沉浸性、交互性和構(gòu)想性為基本特征的計算機高級人機界面。綜合利用了計算機圖形學、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機網(wǎng)絡技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人能夠沉浸在計算機生成的虛擬境界中，并能夠通過語言、手勢等自然的方式與之進行實時交互，創(chuàng)建了一種適人化的多維信息空間。使用者不僅能夠通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)感受到在客觀物理世界中所經(jīng)歷的“身臨其境”的逼真性，而且能夠突破空間、時間以及其他客觀限制，感受到真實世界中無法親身經(jīng)歷的體驗。

434.6虛擬現(xiàn)實技術(shù)2023/3/18當前43頁，總共56頁。虛擬現(xiàn)實是一種創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應具備以下特征(3-I)：沉浸感(immersion)交互性(interaction)想象性(imagination)444.6虛擬現(xiàn)實技術(shù)2023/3/18當前44頁，總共56頁。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的4個層次：桌面式VR以計算機的屏幕作為參與者觀察虛擬境界的交互界面，利用個人計算機和工作站進行仿真。沉浸式VR通過應用顯示裝置等設備，使參與者完全沉浸在一個全新的虛擬環(huán)境而看不到現(xiàn)實世界。增強式VR允許參與者看見真實世界，同時又把虛擬對象疊加在真實的物體上，它是由真實環(huán)境和虛擬環(huán)境組合而成的系統(tǒng)。網(wǎng)絡分布式VR將地理上分布的多個用戶或多個虛擬世界通過網(wǎng)絡連接在一起，使每個用戶同時感受虛擬經(jīng)歷，協(xié)同工作。

45454.6虛擬現(xiàn)實技術(shù)2023/3/18當前45頁，總共56頁。在VR系統(tǒng)中，參與者通過傳感裝置直接對虛擬環(huán)境進行操作，并得到實時三維顯示和觸覺、嗅覺、力覺反饋等一系列反饋信息。當系統(tǒng)與外部世界通過傳感裝置構(gòu)成反饋閉環(huán)時，在參與者的控制下，用戶與虛擬環(huán)境間的交互可以對外部環(huán)境產(chǎn)生作用。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本組成：（1）效果產(chǎn)生器：參與者與虛擬境界交互的硬件接口裝置。（2）實景仿真器：由計算機軟、硬件系統(tǒng)、軟件開發(fā)工具及配套硬件組成，負責接收效果產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號。（3）用戶應用系統(tǒng)：面向具體問題的軟件部分，描述仿真的具體內(nèi)容。（4）幾何構(gòu)造系統(tǒng)：提供了描述仿真對象的物理特性信息，如外形、顏色、位置等。

464.6虛擬現(xiàn)實技術(shù)2023/3/18當前46頁，總共56頁。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本組成47用戶效果產(chǎn)生器計算機接口用戶應用系統(tǒng)仿真管理器三維模型數(shù)據(jù)庫跟蹤其他輸入幾何構(gòu)造系統(tǒng)應用系統(tǒng)實景仿真器信號轉(zhuǎn)換4.6虛擬現(xiàn)實技術(shù)當前47頁，總共56頁。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的支撐軟、硬件（1）跟蹤定位裝置（如三維空間跟蹤定位器）（2）觸覺反饋裝置（如數(shù)據(jù)手套和力反饋器）（3）音頻設備（如音箱、聲卡、麥克風）（4）圖像顯示與觀察設備（如立體眼鏡、頭盔顯示器）（5）高性能計算機

484.6虛擬現(xiàn)實技術(shù)當前48頁，總共56頁。（1）WTK(worldtoolkit)美國Sense8公司開發(fā)（2）DWB(designer’sworkbench)除此之外，3DMAX,Cool3D,MulfiGenVega,MulfiGenCreator,MatLAB中的VirtualRealityToolbox

49虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)常用軟件4.6虛擬現(xiàn)實技術(shù)當前49頁，總共56頁。VR在安全工程中的應用（1）科學研究真實化模擬、直觀表示（2）產(chǎn)品安全