中國石油大學(xué)北京計算機輔助安全工程安全模擬與仿真

中國石油大學(xué)北京計算機輔助安全工程安全模擬與仿真第1頁/共57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(zhǔn)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(shè)計(2)降低實驗成本(3)減少失敗風(fēng)險(4)提高預(yù)測能力第2頁/共57頁3安全評價安全應(yīng)急安全訓(xùn)練（虛擬現(xiàn)實）壽命預(yù)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(yīng)用第3頁/共57頁本章目錄4.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬4.6虛擬現(xiàn)實技術(shù)4第4頁/共57頁CFD計算流體動力學(xué)：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(zāi)害模擬第5頁/共57頁事故災(zāi)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(zāi)害模擬第6頁/共57頁SAFETI軟件2023/3/3074.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第7頁/共57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

2023/3/3084.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第8頁/共57頁PHAST軟件實例2023/3/309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(zāi)害模擬第9頁/共57頁某化肥廠發(fā)生氯氣泄漏的實時擴散圖2023/3/30104.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第10頁/共57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(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的流體流動與熱傳導(dǎo)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(yù)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(yīng)用：航空航天，汽車，空調(diào)供熱，流體機械，化學(xué)反應(yīng)，電子元件冷卻，石油開采，換熱器等眾多領(lǐng)域114.5.2Fluent數(shù)值模擬第11頁/共57頁Fluent的強大功能典型應(yīng)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(xué)火箭的內(nèi)部流動渦輪機械反應(yīng)容器的設(shè)計臺風(fēng)或颶風(fēng)，建筑物風(fēng)環(huán)境氣泡動力學(xué)及兩相流混合容器流化床流體誘導(dǎo)噪聲的預(yù)測煤粉或者油，燃氣的燃燒4.5.2Fluent數(shù)值模擬12第12頁/共57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2023/3/30134.5.2Fluent數(shù)值模擬第13頁/共57頁Velocitycontourplotu=u(t),sinusoidalinletvelocityrigidwallrigidwallcompliantwallinitialmesh動脈血管脈動流動的模擬2023/3/30144.5.2Fluent數(shù)值模擬第14頁/共57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2023/3/3015第15頁/共57頁Fluent軟件模擬過程164.5.2Fluent數(shù)值模擬第16頁/共57頁用fluent軟件如何作論文和應(yīng)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(xué)和傳熱學(xué)知識，包括計算傳熱學(xué)和計算流體力學(xué)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2023/3/30174.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第17頁/共57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(zāi)難性事故。嚴(yán)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(yán)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(yán)重污染。1993年9月28日,華北油田一口預(yù)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。2023/3/30184.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第18頁/共57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(fù)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(fēng)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(dǎo)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(zhǔn)確預(yù)測有毒有害氣體的濃度和蔓延方向，是制定應(yīng)急預(yù)案和逃生路線的重要依據(jù)。2023/3/30194.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第19頁/共57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。2023/3/30204.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第20頁/共57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2023/3/30214.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第21頁/共57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(shè)置簡化及算法研究網(wǎng)格劃分技術(shù)研究復(fù)雜山區(qū)氣體擴散數(shù)值模擬計算多種工況不同風(fēng)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2023/3/30224.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第22頁/共57頁邊界條件計算參數(shù)及邊界條件的確定網(wǎng)格設(shè)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(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)湍流模型：標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)速入口GXGXGyGZGZ井噴氣體出口2023/3/30234.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第23頁/共57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(fēng)）2023/3/30244.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第24頁/共57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(fēng)）2023/3/30254.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第25頁/共57頁硫化氫初始質(zhì)量分?jǐn)?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(fēng)速2m/s）2023/3/30264.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第26頁/共57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?jǐn)?shù)90%（2）不同硫化氫含量（風(fēng)速2m/s）2023/3/30274.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第27頁/共57頁風(fēng)速5m/s風(fēng)速1m/s3.2風(fēng)速對高含硫氣體擴散的影響2023/3/30284.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第28頁/共57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253K273K293K2023/3/30294.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第29頁/共57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2023/3/30304.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第30頁/共57頁泄漏源與障礙物距離170m，障礙物尺寸為40×50m，風(fēng)速2m/s硫化氫90%硫化氫10%有毒氣體在障礙物背風(fēng)面沉積。2023/3/30314.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬第31頁/共57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?jǐn)?shù)%84.19%9.02%6.79%質(zhì)量分?jǐn)?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2023/3/3032第32頁/共57頁井噴氣體成分組成CH4H2SCO2體積分?jǐn)?shù)%84.19%9.02%6.79%質(zhì)量分?jǐn)?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(fēng)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2023/3/3033第33頁/共57頁名稱高度h（m）R1（m）R3（m）底面中心坐標(biāo)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2023/3/3034第34頁/共57頁第35頁/共57頁4.5典型高含硫氣井井噴事故數(shù)值模擬2023/3/3036第36頁/共57頁4.5典型高含硫氣井井噴事故數(shù)值模擬2023/3/3037第37頁/共57頁4.5典型高含硫氣井井噴事故數(shù)值模擬2023/3/3038第38頁/共57頁4.5典型高含硫氣井井噴事故數(shù)值模擬2023/3/3039第39頁/共57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2023/3/3040第40頁/共57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(dǎo)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2023/3/3041第41頁/共57頁本章目錄4.5基于CFD的事故災(zāi)害模擬4.6虛擬現(xiàn)實技術(shù)42第42頁/共57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(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)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)2023/3/30第43頁/共57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(yīng)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)2023/3/30第44頁/共57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(yīng)用顯示裝置等設(shè)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(luò)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(luò)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)2023/3/30第45頁/共57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(dāng)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(zé)接收效果產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號。（3）用戶應(yīng)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)2023/3/30第46頁/共57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(yīng)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(yīng)用系統(tǒng)實景仿真器信號轉(zhuǎn)換4.6虛擬現(xiàn)實技術(shù)第47頁/共57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(shè)備（如音箱、聲卡、麥克風(fēng)）（4）圖像顯示與觀察設(shè)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)第48頁/共57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)第49頁/共57頁VR在安全工程中的應(yīng)用（1）科學(xué)研究真實化模擬、直觀表示（2）產(chǎn)品安全設(shè)計（3）救災(zāi)指揮模擬（4）日常安全教育