FLUENT重质气体扩散模拟
重质气体指的是泄漏到大气中以气态或者气溶胶状态存在的比空气重的准气态物质，如氯气、LPG、LNG等。反之，为氢质气体，比如笔者之前的氢气泄漏的案例（可以点击文末“阅读原文”查看）。 当扩散气体的密度比外界空气的密度小时，其中由于气云在浮力上受的影响，气体会受外界空气的压力，被推动向上方流动，由于存在在地表面的气体会较少，导致地面上方的空间浓度会较高，而地表面的浓度会较低。直到扩散空间的空气密度和外界空气密度基本一致的时候，其浓度差基本为零的时候，此时随着大气的流动，气体会向下风向扩散，并且在扩散时，气体在空气中则鲜有大幅度的上升或下降。当外界空气的密度比扩散气体的浓度小时，此时重于空气的逆向浮力云团或者烟云较容易形成，扩散时，重质气体在重力作用的影响下会向地面方向有所下降而且会沿着地表扩展扩散的范围，因此重气扩散会对扩散源周围的人员和结构物有直接影响。本案例将以某种重质气体为例，模拟其扩散情况。 建立如下的通风房间模型，房间尺寸5m×5m×4m，有送风管和排风管，送风管尺寸600mm×400mm，排风管尺寸400mm×400mm，送风量658m3/h。其中在送风管有一个Φ20mm的泄漏口，重质气体从该处泄漏，泄漏量1.97m3/h。对模型进行六面体网格划分，最大的问题在于尺寸跨度大，由泄漏口的网格造成，整个模型网格约400万，电脑扛不住，4核并行计算迭代一步预计20s。 采用组分输运模型，混合物由空气和自定义重质气体组成。 该问题必须设置重力加速度，否则无法模拟重质气体的下沉运动。采用稳态求解器，计算流动达到稳态时的气体浓度分布，如果要模拟气体扩散过程中房间的浓度变化情况，就采用瞬态求解，前提是硬件有足够的计算能力。 采用SST ω湍流模型，根据文献资料，采用该湍流模型模拟重质气体的房间扩散相对精确。 达到稳态后，房间的重质气体浓度分布如下图。可以看到，由于送风和排风都在房间上部，造成重质气体在房间下部聚积，使得该区域的浓度较大。（根据浓度单位ppm和体积分数的关系，以计算结果的组分摩尔百分比分数×1000来换算成ppm，下同）。
修改一下浓度云图的显示范围，可以更清楚地看到重质气体的下沉现象。 计算一下房间内的平均浓度，由于建模时没有针对房间单独建立计算域，而是把风管和房间统一建模，因此无法准确计算房间本身平均浓度。这里建立了几个截面，以所有截面的平均浓度代表房间平均浓度，实属无奈之举。可以看到，房间内的平均浓度约为5000ppm。 再看一下排风口的平均浓度，为2977ppm。该位置的浓度可以根据边界条件手动计算，送风量658 m3/h，泄漏量1.97m3/h，因此体积分数为：1.97/(658+1.97)=0.2985%，即2985ppm，
