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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。
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/jki.dqfb.2021.01.009The 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.
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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
内作
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；Γfu —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）、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，并利用坐标确定位置后可组
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。
羟基自由基
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
ecall测试模型
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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→SIMULA TION_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。屏蔽玻璃
（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：
谱进样瓶
（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
所示。
（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
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影视创意制作（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6
气体泄漏扩散示意图
图7 气体爆炸示意图
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