浅谈FLACS在泄漏爆炸模拟中的使用方法

·安全管理·

浅谈FLACS在泄漏爆炸模拟中的使用方法

浅谈FLACS在泄漏爆炸模拟中的使用方法

闫赞扬，刘英，冯伟

(南阳防爆电气研究所有限公司，河南 南阳473008)

[

关键词

]

爆炸性气体环境；泄露扩散；FLACS；模拟仿真

[

摘 要

]

为更好地开展危险分析和风险定量评估，简述了计算流体力学在防爆行业中

的应用，以FLACS软件为例，介绍了从仿真建模、网格划分、场景设置、结果查看的一般

操作方法和步骤，可为从业人员提供一定的参考。

[

中图分类号

] TM862 [

文献标识码

] A [

文章编号

]1004-9118(2021)01-0033-06

DOI

：

10.14023/.2021.01.009

The Application of FLACS in Leakage and Explosion Simulation

Yan Zanyang, Liu Ying,Feng Wei

(Nanyang Explosion Protected Apparatus Research Institute Co., Ltd., 473008, Nanyang, Henan)

Key words: explosive gas atmosphere; leakage and diffusion; FLACS; simulation

Abstract: In order to carry out hazard analysis and quantitative risk assessment better, the

application of computational fluid dynamics in the explosion-proof industry is briefly described.

Taking FLACS software as an example, it introduces simulation modeling, meshing, scene setting,

and result viewing. The general operating methods and steps can provide a certain reference for

practitioners.

0

引言

油气集输作为石油开采、勘探不可缺少的

重要环节，其作用是把分散油井所生产的石油、

半生天然气和其他混合物质，通过油气管道输

送到油气处理站，经过必要处理、初加工和油

气分离、油气计量、原油脱水、天然气净化、

轻烃回收等二次处理操作，最终将合格的石油

和天然气通过特殊的管道输送到用户手中的工

艺全过程。而在集中处理和输送过程中往往具

有高温高压、易燃易爆等特点，一旦疏忽就会

酿成不可挽回的安全事故。因此对其过程进行

危险分析与事故后果模拟对于事故预防、消除

隐患具有十分重要的意义

[1]

。

近年来，将计算流体力学（

CFD

）方法应

用于复杂气体环境中的扩散、爆炸过程研究

已受到学者们的广泛关注。例如，将

CFX

、

AutoReagas

、

Fluent

、

KFX

、

FLACS

应用于机舱

发动机室

LNG

泄露扩散研究

[2]

，模拟

LNG

槽

车装卸区

[3]

，清管作业区

[4]

泄露爆炸事故，海

上钻井平台通风、油气泄漏、火灾及爆炸模拟

[5]

，公路隧道内氢气和丙烷爆炸

[6]

，管道内瓦斯

气体爆炸

[7]

，复杂施工环境下天然气泄露

[8]

等

过程爆炸压力场的变化规律、危险区域分布、

温度和火焰传播速度等。

FLACS

作为

GexCon

（

CMR/CMI

）公司

开发用于复杂生产区域通风、气体扩散、爆

炸和连锁事故潜在可能性分析的模拟仿真软

[

收稿日期

] 2020

-07-28

[

作者简介

]

闫赞扬（1992— ），男，毕业于天津科技大学，主要从事电立面动化及防爆电气检测等工作。

33

《电气防爆》

2021

年

2

月

第

1

期

件已得到全尺寸试验验证，在石油、化工等

高危领域优化布局设计、降低燃爆风险、减

少事故损失方面有广泛的应用

[9]

，为可视化

研究油气泄漏爆炸事故过程和事故后果评估

提供了依据

[10-11]

。

为更好地开展危险分析和风险定量评估，

促进交流，本文从

FLACS

软件资料少的客观实

际出发，以油气管道爆炸为例，给出

FLACS

仿

真软件的一般操作方法和步骤，以期为相关从

业人员提供一些认识和了解。

1

仿真模型

1.1

数学模型

对于可燃气体扩散一般采取质量守恒、动

量守恒、能量守恒在内的三大守恒方程，而

FLACS

在解决湍流问题时，将遵守湍流动能

方程、湍流动能耗散率方程来实现标准的

k-ε

湍流模型的修正，然后在气体爆炸过程中采用

有限体积法求解可燃气体燃烧方程和燃烧质量

输送方程，其动态特性可以用统一的形式描述

为

[12]

：

(1)

(2)

式中：

ρ—

流体密度的时均值，

kg/m

3

；

t—

时间，

s

；

φ—

通用变量的时均值，分别代表速

度分量、湍流动能、湍流动能耗散率、焓等；

u—

速度的时均值，

m/s

；

Γ—φ

的湍流输送系数；

S

φ

—

针对不同

φ

项的源项；

u

j

—j

方向的质点运

动速度矢量，

m/s

；

x

j

—

在流物中第

j

坐标轴方向；

Γ

fu

—

燃料输运特性的湍流耗散系数；

m

fu

、

R

fu

—

气体质量分数和体积燃烧速度，

m

3

/s

。

1.2

几何模型

1.2.1

几何模型建立

运行

FLACS Run Manager

，打开

CASD

前处理软件，在

Geometry→Database

中构建几

何模型，其中包括：

Materials

（模型颜色）、

Objects

（几何部件）、

Geometry

（几何组件）

的建立；需要指出的是，可在

Add menu

中通过

“BOX”

、

“Cylinder”

、

“Ellipsiod”

、

“GTC”

及布

尔操作等组合命令创建不同的基础模型并赋予

不同的模型颜色，并利用坐标确定位置后可组

34

合成所需要的复杂几何模型。

例如，通过参考平面布局图及三维示意图，

按上述步骤使用预处理软件

CASD

进行几何模

型建立，如图

1

、图

2

所示。

1.2.2

网格模型划分

网格划分需遵循如下的指导原则：

首先通过

Grid→Simulation Volume

确定仿

真区域，该仿真区域选择一般大于模型所在的

区域，且在此区域内将通过

“Region”→“No_

of_control_volumes”

对

“X Direction”

、

“Y

Direction”

、

“Z Direction”

三个方向填写网格数，

实现网格的划分，如图

3

所示。

需要指出，在一些区域，可以对泄漏点附

近的栅格进行局部优化，

“smooth”

命令允许两

个由不同网格宽度尺寸构成的区域，有一个光

滑的过渡；结合增加某根网格线、按坐标移动

某根网格线、按距离移动某根网格线对总体仿

真区域、核心区域、伸展区域进一步作网格划

分处理可增加仿真结果的准确度。

还应当注意，一般爆炸模拟宜选用

0.5

米的

网格。

图

1

参考图

图

2 FLACS

模型

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图

3

模型网格划分

1.3

场景参数设置

（

1

）监测点设置与输出控制

通过

Scenario→MONITOR POINT→ADD

添加所需要的监测点，并通过坐标点确定其在

仿真区域中的位置，可在模拟过程中监视其中

的一个或多个变量，

FLACS

提供了多种变量

可供选择，若进行泄漏扩散模拟一般可选择

FMOLE

（体积比）、

FUEL

（质量比例）；若进

行爆炸模拟一般可选择

P

（压强）、

DRAG

（动压）、

UVW

（速度）等参数；

Scenario→SINGLE_

FIELE_SCALE_TIME_OUTPUT

视具体情况进

行选择即可。如图

4

所示，在设置过程中应避

免将监视点放置在网格线上。

图

4

监测点设置

在按照

Scenario→SIMULATION_AND_OUTP

-UT_CONTROL

对输出变量进行设置时

“TMA-X”

为提供运算停止的时间，比如

22 s

，

“CFLC”

基

于声速和

“CFLV”

流体流速可分别设置为

20

和

2

，

“DTPLOT”

为

0.5

，意味着输出文件每

0.5 s

写入一次数据，其他的参数保持默认即可。

（

2

）边界条件设定

在气体泄漏扩散中，边界条件在无风时可

选择

“NOZZLE”

，有风时可选择

“WIND”

，例

如

+X

方向间隔

1 s

时间达到风速

1 m/s

可设

置为：

XLO

、

YLO

、

ZHI

为

“WIND”

，

XHI

、

ZLO

为

“NOZZLE”,WIND_SPEED=1

，

WIND_

BUILDUP_TIME=1

即可；在气体爆炸模拟中，

默认边界条件选择

EULER

。

对于其他初始条件，如

CHARACTERISTIC_

VELOCITY

（相对湍流强度）设为

0.1

，环境温

度

20

℃，标准大气压，地面粗糙度

0.01 m

，相

对高度

10 m

（气象数据参数高度），

F

级大气

稳定度（稳定状态）。

（

3

）爆炸气体和泄漏点设置

FLACS

内置了多种可燃气体成分物质，

通过

Scenario→GAS_COMPOSITION_AND_

VOLUME→VOLUME_FRACTIONS

进入选择

即可；对于气体泄漏模型可按如下步骤完成泄

漏点设置：

Scenario→LEAKS→ADD→“JET”

，

根据实际情况，进入设置气体泄漏速率、泄漏

口面积，泄露开始时间、持续时间即可。

（

4

）爆炸点设置

如下所示，

FLACS

可实现对爆炸点的灵

活设置：

Scenario→IGNITION→POSITION_

OF_IGNITION_REGION

，而且可以根据需要对

TIME_OF_IGNITION

进行设置，即表示爆炸点

点火的持续时间。

2

结果查看

通过

FLACS

的后置处理器

Flowvis

能够实

现可视化气体爆炸、气体扩散和多相流计算辅

助模拟结果查询，可以进行各种变量的二维三

维图形输出及自动生成视频等操作，有助于结

果的展示和评估。

以图

2

模型为例，对其进行泄漏扩散过程

监测点压力曲线随时间变化、二维平面泄漏扩

散过程、爆炸模拟进行演示如下。

单击

Flowvis

图标进行启动，进入

Flowvis

通过

“Enter Ctrl+A”

定义一个新的页面，并按

鼠标左键选中页面，首先选择菜单

“Page”

的

“Modify”

将一页面分割成若干图片，再根据需

要通过

“Plot”

的

“Plot Type”

进行如下数据的查

看和设置：

35

《电气防爆》

2021

年

2

月

第

1

期

（

1

）

Scalar Time Plot

：用于查询变量随时间的变化，如图

5

所示。

图

5

变量随时间变化曲线

（

2

）

2D Cut Plane Plot

：在选定的时间点，变量输出值的图形变化，如图

6

所示。

36

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图

6

气体泄漏扩散示意图

（

3

）

Volume Plot

：在选定的时间点，在特定区域的三维变量输出值，如图

7

所示。

图

7

气体爆炸示意图

37

《电气防爆》

2021

年

2

月

第

1

期

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395

-

401

．

3

结束语

综上所述，通过对

FLACS

软件的建模、场

景设置、结果查看步骤和方法的介绍，可以看

出

FLACS

在研究复杂结构的通风、定义泄漏源

种类、气体泄漏和扩散等方面的优势，在后续

的不断学习和使用中我们可以从以下几个方面

继续深入展开探讨：

（

1

）不同风向、风速、泄漏尺寸、点火点

等因素对爆炸性危险气体泄漏扩散及爆炸特性

的影响；

（

2

）探索

FLACS

泄漏扩散、火灾、爆炸、

粉尘及风险等模块在石油化工、天然气、煤矿

等场所中的使用方法和应用研究。

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