2022Fluidyn通风扩散、火灾及爆炸仿真应用案例分享会

导读：空气污染、火灾及爆炸都在影响人的健康及生命，这种情况持续下去，许多死亡将由于高污染、火灾、爆炸等而持续发生。影响了医院、学校、家庭里群体：哮喘病人，小孩，青年，老人等等。我们不能拯救每一个人，但我们是否可以做一些事情来避免这些死亡？

2022年9月21日20时，北京创联智软科技流体工程师张晓啸带来《Fluidyn在通风扩散、火灾及爆炸仿真的应用案例分享会》，干货满满，反响强烈，本次分享会可以了解固体、液体或气体云团的火灾爆炸的危害，仿真分析原理及应用案例。以下是关于各领域的解决方案。

一、大气环境解决方案

fluidyn-PANACHE是模拟大气污染扩散和预测空气质量的多个软件族。这是Fluidyn公司与法国环境与能源管理署（ADEME）合作开发的，过去的二十多年中，已经被世界范围近二百个用户所使用。是全三维计算流体力学软件包，设计用来精确仿真大气流动和污染物在复杂环境中的扩散，考虑复杂三维地形、气象数据（包括低风）、建筑和障碍物、不同类型植被，绕障碍物的大气湍流和机械湍流，各种污染物的瞬态或长期排放（重气体、热气体、轻气体、颗粒、液滴等）和大小尺度的扩散。

按照不同的应用领域，PANACHE包含PANEPR、PANAIR、PANEIA、PANROAD等多个模块。

1、工业污染物意外扩散和应急规划与响应

fluidyn-PANEPR是Panache核心模块，主要用于工业场地事故扩散的三维仿真。它分析过程工业中由于压力或非压力容器（罐、槽、管道、阀门、连接件等）破裂及泄漏导致的意外排放，及由于火灾燃烧的意外扩散，主要模拟瞬态过程。 

fluidyn-PANEPR是强大的用于规划预期措施并解决工业事故相关问题的工具。集成了三维模拟特征（风、湍流和污染物运输），考虑地形、障碍物（近场）、建筑、植被的影响，还考虑太阳辐射影响及各种大气条件。能够仿真下列物理现象的瞬态影响：可压流动、浮力影响、大气排放相互作用、随时间变化的排放源项等。

fluidyn-PANEPR可用于下列事故场景：

• 压力容器、管线的气体泄漏：变速率的两相（颗粒、液滴）或液体泄漏

• 伴有分层现象的不同密度气体的扩散及与地面的热量交换

• 多种排放源形式，如点源（烟囱）、线源、面源、体源、储罐泄漏

• 与固体结构的耦合效应

• 精确模拟建筑与化工单元之间的流动：曲线网格、二阶精度求解器

• 基于CFD的源项计算：管线、容器泄漏

• 根据阈值数据库的毒性风险分析：SEI、SEL、SELS阈值的剂量计算

• 爆炸云的扩散（UVCE）：蒸汽云体积、质量可燃极限（防爆计算）

2、机动车交通排放仿真

fluidyn-PANROAD是PANACHE专门针对道路和高速公路车辆排放污染物扩散的仿真模块，评估空气质量和对健康影响。给高速公路规划师和环境工程师设计的工具，评估现有基础设施变动影响和未来项目的环境影响。

fluidyn-PANROAD用来确定：

• 道路布局改变的影响（施工偏差、交叉路口），对现有道路的调整（增加车道、交通信号灯、转弯及掉头、路口）
• 安装声屏障的影响（预测）
  
• 隧道外污染物浓度峰值的原因

fluidyn-PANROAD考虑地形、障碍物（例如隔音屏）、高层建筑、植被、自然地形对扩散的影响，太阳辐射和环境温度条件的影响。由于集成了快速和先进的数值技术，软件能够仿真整个风向玫瑰图的扩散，提供了对局部气象的更好体现。

3、工业日常排放模拟

fluidyn-PANEIA专门用于工业场所对空气质量环境影响评估的软件模块。用于大气中从工业点源或连续源排放扩散。考虑地形、障碍物、建筑物，植被和复杂地形对扩散的影响，还考虑气象参数如太阳辐射和周围天气条件的影响。

fluidyn-PANEIA是给环境工程师、项目管理者和决策者设计的，使其符合或确保他们的工业场所满足由国家相关法规主体部门制定的大气质量和随后环境和健康影响法规的强制标准。

应用：

• 绕建筑的流动和湍流
• 建筑或工业场所修改的影响
• 高斯、拉格朗日/欧拉方法的三维扩散
• 风向玫瑰图计算
• 液滴和颗粒
• 测量场地识别（污染和风）
• 羽流可视化
• 健康研究的定量基础

• 酸雨：污染物下洗

4、大气排放实时模拟

FLUIDYN 开发了可实时和短时间内预测气体和颗粒排放在大气中的三维扩散数值模拟平台。

（1）诊断模型（Diagnostic Model，DIAG）：传感器网络场景评估及性能量化三维模型的精度与性能

该平台集成了fluidyn-PANACHE的所有特性，能够考虑地形、障碍物和建筑物、植被等对扩散的影响，能够考虑太阳辐射及环境大气条件的影响。

由于集成了快速、高效的数值技术，该工具能够模拟完整风玫瑰（Wind Rose）的扩散情形，以提供精确的局部气象条件及排放源与传感器间的空气流动模式。

（2）源识别及传感器网络优化

针对意外排放，该平台能够提供泄漏位置及排放速率信息，当毒性阈值（TLV）超标时，为现场应急服务提供技术支持。

在正常操作条件下，其提供了连续排放的瞬时值。根据传感器数据的源识别模块也可用来优化现有的传感器网络布置。

（3）自动接口及基于GIS的输出

针对长期排放的影响评价，输出为GIS格式的场内外仿真结果可提供给决策者（在工艺规划、维护中采取纠偏措施）及第三方（公众及政府）。该平台集成了自动、半自动的操作接口，可读入场内（气象杆、传感器）及场外（气象及气象预报）的外部数据。

二、通风、火灾、爆炸解决方案

伴随化工园区的兴起，炼油厂、化工厂呈现越来越聚集发展的模式，包括更多沿海、沿江、沿湖的化工园区，虽然效率提高，集约程度提高，规模效益不断体现，但是一旦出现问题，后果也十分严重。对存在高危的化学品集中区需要更多的安全规划及安全预案，并采用先进的监测、监控、溯源、管控、应急预案。这样才能做到临危不乱，及时有效应对各种风险，降低损失。

针对受限、半受限空间内有毒、易燃易爆等危险化学品泄漏扩散、火灾、爆炸等问题，FLUIDYN提供了全面解决方案。

fluidyn-VENTIL是先进的图形交互式的CFD软件，其主要用来分析受限、半受限空间内的通风、火灾、爆炸等问题。

fluidyn-VENTIL主要包括以下模块：

• fluidyn-VENTCLIM：住宅、工业建筑的暖通空调（HVAC），室内空气流动及气体扩散
• fluidyn-VENTFIRE：专业受限、半受限空间及开放空间的三维火灾模拟

• fluidyn-VENTEX：专业三维受限、半受限空间及开放空间的爆炸、爆燃和爆轰的仿真分析

1、室内空气流动及气体扩散

fluidyn-VENTCLIM采用三维流体力学方法，解决空气流动、温度变化及污染物浓度分布等HVAC相关问题。

软件具有很好的易用性，即便是非专业的用户也能够轻松高效地完成诸如公共建筑，医药、电子工业的清洁室，数据中心，停车场等的通风、空气质量模拟。可以用于模拟暖通空调、流动模式、热分层、可燃/有毒气体/颗粒/液滴的扩散等物理现象。

fluidyn-VENTCLIM集成了预定义的几何模型库，可以快速的创建如分隔墙、通风设备、门窗及客户定制的模型。软件内置了化学品、放射性、化学反应等数据库，方便用户选择使用。建筑物的边界条件及初始条件可以采用fluidyn-PANACHE软件在气象条件下的模拟结果。

fluidyn-VENTCLIM内置了网格划分工具，可以方便地划分出高质量的计算网格。其强大高效的求解器保证了计算的精度。

（1）物理模型

热：由于人类活动、工业设备等产生的热量、水分等，能够考虑通过门窗的太阳辐射、电气电子设备产热。

空调：湿度、蒸发、凝结等现象。

（2）边界条件

开口：各开口处的压力、流速、温度等，可直接从fluidyn-PANACHE的结果中导入

通风：压力损失、压力时变曲线、流量时变曲线等

（3）两相流动

气体、颗粒、气溶胶

考虑伴随湍流、蒸发、凝结现象的质量、动量、热的交换及相互作用。

2、专业火灾仿真

火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。火灾能够对人民生命财产造成重大的伤害。我们首先应该确保合理的设计、操作以避免火灾，对发生火灾有充分的应急响应预案，将火灾的损失降低到最小。同时也要具有对火灾事故事前和事后的分析手段。

FLUIDYN具有两个火灾分析方案，PANFIRE是火灾热辐射仿真，能够预测火灾热辐射的情况，验证防火墙等的有效性，它依据的是消防的规范，采用经验公式，计算精度稍低，计算速度快；VENTFIRE是三维燃烧火灾仿真工具，基于烟气扩散和三维CFD的精确火灾仿真工具，能够模拟瞬态火灾的发展过程，还能够给出能见度等结果。

3、专业爆炸模拟解决方案

爆炸是在极短时间内，释放出大量能量，产生高温，并释放出大量气体，在周围介质中造成高压的化学反应或状态变化。fluidyn-VENTEX软件能够仿真开放空间、半受限空间及受限空间的扩散和爆炸仿真。

作为FLUIDYN软件家族成员，fluidyn-VENTEX能够与其他 FLUIDYN模块无缝耦合进行室内或室外气体扩散模拟，以及支持对爆炸引起热和压力载荷结构完整性的结构瞬态应力分析。

• 在预先定义对象（通风装置、保护墙、通风口等）帮助下简单而快速地创建地形模型
• 多种不同格式的CAD导入（PDMS、IGES、DXF、STEP等）
• 通过缺省假设完善丢失数据
• 精确管线、障碍物轮廓的非结构化嵌套网格
• 结果投影到CAD模型以快速进行设计分析和更改
• 在不同的和专门的求解器帮助下可以进行空气/炸药混合（缓慢现象）形成及爆炸（快速现象）的三维模拟。
• 高精度数值求解器保证复杂地形的结果精度
• 考虑地形和所有类型障碍物的超压波传播
• 通过显式或半隐式瞬态有限体积求解器的爆炸
• 有限元求解器进行结构应力分析
• 内置的经过预先验证参数的的爆燃/爆轰模型
• 适合不同爆炸类型的多种模型:：BML、JWL、EDC、Arrhenius等
• 材料属性库超过400种固体、液体和气体

三、多物理场解决方案

fluidyn-MP是具有独特界面的数值平台用于多物理场应用。fluidyn-MP是完全集成和强耦合的数值求解器，包括流体流动分析、结构分析、固体传热分析、声学、磁流体动力学、稀薄气体流动等。

fluidyn-MP通过创新的方法模拟多物理场相互作用问题，包括每个研究领域的先进求解技术的强耦合。稳健的流体结构强耦合求解方法，及可用不同的数值格式帮助在最短的计算时间内获得准确而相关的结果。与结构接触的流体网格自动按结构变形而变形（自动自适应网格）。由于求解器间（有限体积与有限元）无缝的信息交换，使得瞬态现象能够高精度模拟。

fluidyn-MP真正实现同一界面，同一模型的多物理场仿真。能够模拟结构在受到载荷（包括流体载荷、热载荷、甚至是爆炸载荷）作用下的变形问题。因此对流固耦合问题，结构完整性问题（在极端载荷作用下，结构是否会发生破坏）能够进行仿真。

fluidyn-MP可用于分析不可压缩流动（自由表面）到高度可压缩流动（跨音速流动），稳态到高度瞬态（爆炸）。

四、创联智软科技公开课

为帮助大家更好的理解与掌握通风扩散、火灾及爆炸仿真Fluidyn软件操作与应用项目案例，9月21日20时，北京创联智软科技流体工程师张晓啸带来《Fluidyn在通风扩散、火灾及爆炸仿真的应用案例分享会》，推荐读者朋友前来学习和交流。

以下是课程安排：

（完）

作者：创联智软   仿真秀专栏作者

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