氣體擴散
關注創建者：CAE璐姐 創建時間：2021-03-22
氣體擴散的實例教程
仿真用于分析和優化各個領域內的流動，包括燃燒、渦輪機械和氣體擴散分析。OPRA 一直在探索使用開源軟件包 OpenFOAM 來補充商業 CFD 軟件包。良好的網格對于執行 CFD 分析至關重要，而 OpenFOAM 受益于六邊形網格。OpenFOAM 有多種開源網格劃分工具，通常適用于簡單的幾何體。然而，由于有限的幾何導入、非直觀操作和有限的文檔，這些網格劃分工具很難用于真實（工業）幾何。
圖1：OPRA的OP16燃氣輪機發電機組
“ Fidelity Automesh 網格劃分工具 是 OPRA 的首選解決方案，因為它具有全六角和六角混合網格、自動網格劃分和直接導出到 OpenFOAM。”
Cadence 的網格劃分套件已在 OPRA 的設計和 CFD 方法中實施，如圖 2 所示。這些網格劃分工具是 OPRA 的首選解決方案，因為它們具有全六邊形和六邊形混合網格、自動網格劃分和直接導出到 OpenFOAM。Fidelity Hexpress 用于燃燒和氣體擴散分析，Fidelity Autogrid 用于渦輪機械。
圖 2：OPRA 的 CFD 模擬流程
以下案例研究展示了使用Fidelity Automesh進行 CFD 仿真。
項目介紹：
OPRA 已經為船上開發了 OP16 發電機組的船用版本。作為該項目的一部分，對 OP16 船用組件進行了氣體擴散分析。OP16 船用發電機組將使用一系列具有顯著不同氣體成分和能量密度的燃料。外殼（包括氣體系統）應確保防爆，以防氣體泄漏，因為外殼通風空氣和氣體混合物可能形成 LEL（低爆炸極限）體積云，在存在點火源時可能會點燃。為確保外殼內的環境無危險，必須將氣體檢測器放置在正確的位置以識別最終的泄漏。
展開 對可燃氣體在室內泄漏擴散的模式進行了分析,對泄漏擴散的影響因素進行了系統闡述,建立了連續泄放源氣體泄漏擴散的數學計算模型,并分別對室內有風和無風干擾的情況下的模型進行了簡化。通過建立數值計算模型,采用通用的CFD軟件PHOENICS對泄漏氣體射流擴散后形成的速度場與濃度場進行了模擬計算,得出了泄漏氣體在室內擴散分布的一般特征。結果表明,在分析可燃氣體泄漏的危險性時,不僅應分析環境空間可燃氣體的爆炸濃度范圍,而且也要注意存在局部著火的可能性
可燃氣體室內泄漏擴散的研究--PHOENICS.pdf
展開 多孔材料在氣體存儲和分離方面已經取得了突飛猛進的發展，然而如何控制氣體在多孔材料中的擴散一直是難以解決的問題。1月25日，一項發表于《科學》雜志的研究利用金屬—有機框架（MOF）材料這一設計性極高的結構平臺，在剛性骨架的MOF的籠狀孔壁上編入溫度響應的動態“開關”，通過控制孔壁微擾來控制氣體分子在多孔材料中的擴散。
論文第一作者、華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室研究員顧成告訴《中國科學報》記者：“新材料具有溫度控制的吸附特性，這種獨特的吸附性質不僅能讓材料在較高溫度下進行相似氣體的動態篩分，也可以實現常溫常壓下氣體的物理存儲。”
圖片說明：(A)通過動態孔道控制氣體擴散的原理示意圖。(B) 1a的晶體結構。 (C) 1a的孔道結構。(D) 溫度響應的層內擴散控制示意圖；低溫下OPTz單元形成的“門”關閉，氣體分子無法擴散，高溫下通過熱振動打開“門”，氣體分子進行層內擴散。
根據熱力學定律，隨著溫度升高，多孔材料對氣體的吸附量會降低。但是MOF材料表觀上違反熱力學吸附法則，它在各種氣體的沸點溫度附近幾乎沒有任何吸附，但隨著溫度升高氣體吸附量逐漸升高并達到最大值，之后隨溫度升高氣體吸附量又逐漸降低。研究人員發現，這是熱力學控制的骨架—氣體相互作用力和動力學控制的擴散限制相互作用的結果。
為何MOF材料會出現這樣的結果？顧成表示，研究人員設計了一種蝴蝶型的配體，在間苯二甲酸的5-位上引入氧化吩噻嗪，這是一種可以有效發生熱振動的單元。“這像蝴蝶扇動翅膀一樣，溫度越高，振動幅度越強。”顧成說。
氧化吩噻嗪的熱振動引起了微擾，而這一微擾已足夠為氣體分子擴散打開“大門”。由于MOF材料引入了動力學控制，在不同的溫度下，“大門”打開的幅度也不相同。
該材料特殊的吸附特性使之有可能在較高溫度下進行相似氣體的高效篩分。
展開 SKETCH
首先設置氣體定義組件：
然后對問題進行建模，假設有一個3*3=9平的房間開了窗直通外部大氣：
SUBMODEL
這里我們用最簡單的擴散模型來仿真這個問題
PARAMETER
設置好每個氣體定義，注意混合氣體需要設置成三種氣體的混合：
房間假設是一個3*3*5=45m3的空間，初始氣體充滿了氮氣（3），房間內的壓力為一個大氣壓：
假設有個面積約為0.6*1=0.6平的窗子，窗子很薄10mm，借鑒一下氧氣對空氣的擴散系數，設置菲克擴散系數是：
外界是一個大氣壓的大氣，忽略除氮氣與氧氣外的其他氣體：
SIMULATION
讓我們來看看10min（600s）能不能達到安全濃度：
結果好像如果沒有壓力差、沒有溫度差對流啥的，擴散真的很慢：
模型簡單修正
還是應該加入通風的考慮吧，假設使用了一個空調進行換氣，那么這個3*3=9平房間，按住宅換算，換氣量應該為8m3/h*m2即72m3/h，空氣的密度是1.29kg/m3，因此我們這里設置會有個72*1.29=92.88kg/m3的進氣源會送氣穿過房間：
再來仿真看看：
可以看到濃度下降的速度快多了，但是10分鐘看來是遠遠不夠啊。我們試試讓房間通風2h（7200s）：
嗯。。。還差很遠，還沒到安全濃度0.1%即0.001以下，讓我們多通風會，通風12小時：
可以看到，還是不夠。。。
通風24小時！
還是差點。。。再來，48小時！
終于在約164700s即45.75小時候達到了我們設定的安全濃度。。
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本教程演示了管道內釋放某氣體后擴散的模擬過程。
啟動FLUENT并導入網格
（1）在Windows系統下執行“開始”→“所有程序”→ANSYS 2021→Fluid Dynamics→Fluent 2021命令，啟動Fluent 2021。
（2）單擊主菜單中File→Read→Mesh命令，導入.msh網格文件。
定義模型
（1）單擊命令結構樹中General按鈕，彈出General（總體模型設定）面板，在Solver中Time選擇Transient，進行瞬態計算。
設置湍流模型
（1）在模型設定面板Models中雙擊Viscous按鈕，彈出Viscous Models對話框，在Model中選擇Realizable k-epsilon，單擊OK按鈕確認。
設置多組分模型
（1）在模型設定面板Models中雙擊Species按鈕，彈出Species Model對話框，選擇Species Transpor，Miture Material選擇propane-air。
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在此基礎上，結合AEC實驗數據擬合得到產熱/產氣速率方程，構建了CTP電池系統熱失控多物理場仿真模型，揭示了熱量的傳播與氣體擴散規律，發現在Pack尾部布置3個50mm泄壓閥時，系統內部的可燃氣體濃度能夠在17.3s內降至爆炸下限（LEL）以下，從而降低爆炸風險。
本案例對埋地摻氫天然氣管道在土壤多孔介質影響下的氣體泄漏擴散規律展開了仿真計算。主要涉及到多孔介質，組分傳輸，局部初始化三個部分。計算模型依據相關文獻進行設置，對摻氫20%的天然氣泄漏擴散情況展開分析，通過對該案例的學習與掌握，后續可以對制定管道泄露應急決策方案進行相關指導。
發泡工藝對材料提出雙重挑戰，既需足夠熔體強度以穩定氣泡壁，防止合并塌陷；又需適度粘度以利氣體擴散和泡孔均勻生長。普通PP因線性結構導致熔體強度低，發泡時氣泡易破裂，難以形成均勻泡孔。通過改性獲得的高熔體強度PP（HMS-PP）和天然具有長支鏈的LDPE則能滿足要求。未改性PET也因結晶快、強度不足而需要經過鏈擴展或支化改性后才能用于發泡。
發泡工藝對材料提出雙重挑戰，既需足夠熔體強度以穩定氣泡壁，防止合并塌陷；又需適度粘度以利氣體擴散和泡孔均勻生長。普通PP因線性結構導致熔體強度低，發泡時氣泡易破裂，難以形成均勻泡孔。通過改性獲得的高熔體強度PP（HMS-PP）和天然具有長支鏈的LDPE則能滿足要求。未改性PET也因結晶快、強度不足而需要經過鏈擴展或支化改性后才能用于發泡。
最后，使用SCDM和Fluent構建CTP電池系統熱失控多物理場仿真模型，探究了電池熱失控熱量的傳播和混合氣體的擴散過程，分析了不同泄壓閥設計方案疏導高溫氣體和降低系統爆炸極限的作用，發現Pack尾部布置三個直徑為50mm的泄壓閥，僅需要17.3s就能夠將可燃氣體濃度降低至LEL之下，有效降低了系統的爆炸風險。
，擴散性極強。
<p>本案例對埋地摻氫天然氣管道在土壤多孔介質影響下的氣體泄漏擴散規律展開了仿真計算。主要涉及到多孔介質，組分傳輸，局部初始化三個部分。計算模型依據相關文獻進行設置，對摻氫20%的天然氣泄漏擴散情況展開分析，通過對該案例的學習與掌握，后續可以對制定管道泄露應急決策方案進行相關指導。
在fluent中模擬（二維）埋地管道發生泄漏后，氣體通過土壤擴散到空氣中，遇火源發生爆炸。主要結果是分析氣體的多相流（產生的熱輻射和超壓），不考慮對管道和土壤的破壞。
避難室門口裝有氣簾，防止有毒氣體的擴散。
比如在可能產生粉塵，但又不方便關門的工廠，也會安裝氣簾來隔絕粉塵；
還有就是在資料里查閱到有的地鐵站裝有這樣橫向的氣簾，一旦發生火災，氣簾可以隔離煙霧以及有毒氣體的擴散，但我在附近的地鐵站里找好了好多圈，并沒有找到氣簾。
如果對地鐵系統有了解的朋友，歡迎彈幕或留言給大家科普一下。
本期就到這里啦，咱下期見~
該傳感器包含一個長壽命鎢絲紅外光源、一個光學腔該氣體擴散，雙溫度補償熱電紅外探測器，積分半導體溫度傳感器和電子設備來處理來自熱電裝置的信號探測器。
可提供雙氣體版本，旨在檢測兩者碳氫化合物和二氧化碳20mm直徑的包裝為二氧化碳傳感器，雙傳感器可與數字通信。
