氣體擴散的案例
Fidelity Automesh應用案例-Opra Turbines：燃氣輪機的氣體擴散分析和防爆
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 可燃氣體室內泄漏擴散的研究--PHOENICS
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 發現控制氣體在多孔材料擴散的“局域柔性”材料
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 AMESIM學習——氣體擴散模型學習&房間通風問題仿真嘗試
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。。
展開 
FLUENT管道內氣體擴散模擬
文章發布：上海安世亞太官方訂閱號（搜索：PeraShanghai）
聯系我們：021-58403100
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。
展開 CFD在石化行業的應用領域
對儲罐安全風險，危險品泄漏，有毒有害氣體泄漏擴散，爆炸，火災等的仿真也是石化行業信息化的必然要求。CFD仿真分析是此方面十分重要的分析手段。
CFD在石化行業的應用領域
石油石化設備內的流動、傳熱及多物理場耦合問題；
受限空間的仿真：液化石油氣、天然氣等的爆炸，氣體擴散等；
石化場所的風險分析；
儲罐破裂泄漏導致的物料損失分析，圍堰（防火墻）的設計與優化；有毒、可燃氣體擴散、爆炸、火災；
環境影響研究（煙羽，各種氣體擴散，水污染等等）
氣體擴散火災爆炸定量風險分析
意外的氣體爆炸能夠導致嚴重的破壞，并使得小事件積累成為大事故。防止這樣事件的發生或降低事故發生后的后果，需要對氣體爆炸有良好的理解，并能夠將這種理解轉變為實際的理解和措施。氣體爆炸定義為一個預混氣體空氣云團燃燒引起壓力快速增加的過程。氣體爆炸可能發生在加工設備或管路內，建筑物中或海上單元，在加工區域或無約束區域。氣體爆炸是下圖表述時間鏈的一部分。當分析氣體爆炸的危險時，有必要分析這些事件中的泄漏產生，經過擴散和混合（包括通風條件），點燃，爆炸和結構對爆炸的響應。
對爆炸風險管理來說，最重要的目的就是將爆炸導致不可接受的結果的可能性降低到可接受水平。達到這樣目標的手段應當至少滿足下列要求之一：
降低爆炸發生的可能性
技術上控制爆炸，將爆炸載荷降低到可接受的程度
減輕爆炸后果并減少因爆炸載荷造成的連鎖事故的可能性作為這些要求的結果，有必要量化爆炸概率、爆炸載荷和結構對爆炸的響應。
通風分析
通風研究的主要目的是為了定義在擴散模擬中使用的一系列典型的通風情況，通風模擬的結果可輸入擴散模擬，從而模擬在真實通風情況下的氣體泄漏和氣云聚積情況。
展開 KFX/EXSIM火災爆炸CFD模擬仿真軟件
KFX軟件主要特點
KFX 是一款三維瞬態CFD 軟件，計算速度快、效率高
KFX 可以模擬氣體擴散和所有類型的火災及燃燒
KFX 包括CAD 導入功能（PDS,PDMS,IGES,Flacs 模擬或其他）
KFX 與有限元結構響應軟件Fahts/Usfos 之間具有借口，從而進行動態結構響應分析
KFX 的模擬結果可以作為聲學計算軟件輸入，計算燃燒噪聲的生成與傳播
KFX 具有詳細的求解器，帶有噴水系統的火災減災措施的拉格朗日模型
KFX 具有高效的前處理和后處理能力并且界面友好
KFX 具有靈活的網絡處理技術，可以滿足不同尺度的模擬需求
KFX 可以在結果中同時表現未燃燒氣體、火焰及延誤的生成
KFX 可以對火災發生時逃生路線上人員所面臨的環境進行動畫演示，并以第一視角進行表達
KFX主要功能
各種火災模擬
模擬所有類型的火災:例如池火、噴射火、噴霧火、火炬、LNG 火災、密閉空間火災、復雜
阻塞區域火災或開放空間火災等，包括對溫度、熱輻射、煙氣、能見度、燃燒物質濃度、
有毒氣體、噪聲等進行詳細的計算
人員安全，例如對逃生路線的分析及設計，風險評估等
火災對結構和過程設備的影響
被動防火（PFP）設計
火災溫度、熱輻射和煙氣對人的影響
對防火系統進行模擬、分析和設計，例如噴水器、大液滴噴水、噴霧和水幕等
氣體擴散，氣體和火災探測系統布局設計
火炬及燃燒設備分析與設計
對各種火炬及燃燒設備中的燃燒進行模擬及分析
火炬熱輻射、點火和啟動、煙霧生成
燃燒設備的優化和安全設計
焚燒設備設計優化，降低燃燒設備和工藝過程中有害物質的生成
通風、氣體擴散、湍流及常規熱力學分析
地下空間、軌道及交通隧道中的火勢蔓延及減輕仿真
展開 基于comsol的燃料電池氣體泄漏仿真分析，預測危險區域
</p><p> 易燃氣體氣體在大氣環境中發生泄漏擴散后,經過原始泄漏擴散過程后,形成危險氣體與空氣的混合氣體,混合氣體在空氣中的擴散情況,根據混合氣體的密度等屬性差異,可分為幾種不同的擴散情形。在這方面提出了不少氣體泄漏擴散的仿真計算模型。主要的數值擴散模型有高斯模型( aussian plume/puff model),BM( Britter and Mcquaid)模型、 Sutton模型、三維有限元模型等等。</p><p> 其中利用<strong>三維有限元模型</strong>進行模擬仿真,用有擴散障礙物條件下的湍流統計理論分析研究復雜擴散條件下多種組分多溫曲氣體泄漏擴散過程是當前該領域的一個研究趨勢。</p><p> 此次分享采用comsol仿真分析的一個復雜室內環境，存在強制掃風對流。在某一時間點上貨柜內發生易燃氣體大流量泄漏，通過comsol的湍流和物質傳遞擴散模塊進行建模分析，預測危險區域的范圍和位置。
展開 2025大賽優秀作品 | 電池系統熱失控多物理場建模及高溫氣體疏導措施研究
作品名稱：電池系統熱失控多物理場建模及高溫氣體疏導措施研究
作者：重慶大學 | 張高陽
關鍵詞：電池熱失控機理，熱失控產氣速率計算，氣體爆炸極限，電池系統泄壓閥
作者說
利用Ansys SpaceClaim可以快速對電池包STP模型進行前處理，該軟件的操作流程比較清晰適合初學者進行三維數模設計，并且其共享拓撲和抽取流體的功能也十分好用，與Fluent Meshing相配合能夠快速劃分流體網格。另外，Fluent提供的UDF功能也給使用者提供了二次開發的接口，能夠自定義模型的物理反應過程，從而解決工程中出現的新問題。
目前，100Ah以上的三元鋰電池在電動汽車上得到了廣泛應用，而大容量三元鋰離電池發生熱失控后可能會誘發更為嚴重的火災事故。為此本案例針對117Ah三元鋰方形電池，在Fluent中使用UDF/UDS定義了SEI膜分解、負極與電解液反應、正極分解反應、電解質分解等過程，并利用T2之后溫度與溫升速率的函數關系得到內短路產熱的表達式。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。
挑戰/需求
作者所在機構希望通過仿真工具建立高精度的電池熱失控產熱和產氣模型，并在此基礎上模擬CTP電池系統中單顆電池熱失控引起的熱量傳播與氣體擴散過程，以此評估隔熱設計的合理性并優化系統泄壓閥的布局與數量。
展開 深度解析：氫能產業鏈全景梳理
氣體擴散層
氣體擴散層位于流場和催化層之間，其作用是支撐催化層、穩定電極結構，具有質/熱/電的傳導功能。
國外大多數制造廠商都已實現氣體擴散層的規模化生產，且都有多款適應不同應用場景的產品銷售，包括日本東麗、德國SGL和加拿大AVCarb等。
國內氣體擴散層還處于初級碳微孔層的制備階段。
雙極板
雙極板是燃料電池的陰極板和陽極板，其作用是傳導電子、分配反應氣并帶走生成水。
燃料電池常采用的雙極板材料包括石墨碳板、復合雙極板、金屬雙極板三大類，由于車輛空間限制（尤其是乘用車），要求燃料電池具有較高的功率密度。
因此相對較薄的金屬雙極板有更好的應用前景。
國內石墨雙極板技術近年來發展迅速，技術水平與國外相當，但厚度通常在2mm以上。復合膜壓碳板在國外已突破0.8mm薄板技術，具備與金屬板同樣的體積功率密度。
目前國內薄碳板開發方面，國鴻有來自于加拿大巴拉德公司的授權技術。純國產復合膜壓碳板處于研制開發階段，預計2021年1mm薄板開始批量生產。
安泰科技在氣體擴散層和雙極板這兩個環節均有涉及。
對比國內外燃料電池電堆，國內電堆在核心材料與關鍵技術方面仍存在短板，也是造成燃料電池電堆成本居高不下的主要原因，其中膜電極層三大關鍵材料P/t催化劑、質子交換膜、碳紙主要依賴進口，國產材料尚無法滿足高性能燃料電池電堆使用需求；集流體雙極板方面，石墨雙極板經過多年開發已以國外技術水平相當，但低成本、輕薄的金屬雙板開發仍為空白。
展開 氧氣傳感器應該如何儲存?
· 校準氧氣傳感器時，傳感器和校準氣體(通常為氮氣)均應處于環境空氣溫度和壓力下。由于存儲的氣體在從鋼瓶中釋放時會冷卻，因此應使用一根很長的管子，以允許校準氣體的溫度升高，并使用流量調節器來限制來自儲罐的壓力。
· 所有氣體傳感器都應避免冷凝。如果透氣膜在使用過程中變濕，則應干燥數小時或數天。
· 在使用過程中，應保護氧氣傳感器免受沖擊和振動。過度的沖擊或振動可能會導致傳感器輸出的暫時不穩定。在大多數情況下，讓傳感器在正常的室內空氣和溫度下靜止不動數小時，將使傳感器恢復其正常性能。但是，過度的沖擊可能會損壞傳感器，無法修復。
· 避免用新鮮空氣中未發現的分子或氣體污染氧傳感器。例如，某些傳感器可能會被高濃度的堿金屬，鹽水噴霧或氨氣損壞。此外，工廠制造過程中產生的粘合劑或硅橡膠蒸氣會氟化氣體擴散膜。
預期壽命
氣體傳感器的預期壽命范圍從氣體電化學傳感器的12-18個月到光學或NDIR傳感器的15年以上不等。例如，電化學AlphaSense O2-A2氧氣傳感器的額定使用期限為2年，而O2-A3氧氣傳感器的額定使用期限為3年。使用氧氣進行熒光猝滅原理的LuminOX LOX-02 25%氧氣傳感器的額定值為為5年以上。
展開 
我國氫燃料電池要攻關哪些核心材料和技術？
1.3
氣體擴散層
在氫燃料電池的電堆中，空氣與氫氣通入到陰、陽極上的催化劑層還需要穿越氣體擴散層（GDL）。
GDL由微孔層、支撐層組成，起到電流傳導、散熱、水管理、反應物供給的作用，因此需要良好的導電性、高化學穩定性、熱穩定性，還應有合適的孔結構、柔韌性、表面平整性、高機械強度；這些性能對催化劑層的電催化活性、電堆能量轉換至關重要，是GDL結構和材料性能的體現。微孔層通常由碳黑、憎水劑構成，厚度為 10~100 μm，用于改善基底孔隙結構、降低基底與催化層之間的接觸電阻、引導反應氣體快速通過擴散層并均勻分布到催化劑層表面、排走反應生成的水以防止“水淹” 發生。因編織碳布、無紡布碳紙具有很高的孔隙率、足夠的導電性，在酸性環境中也有良好的穩定性，故支撐層材料主要是多孔的碳纖維紙、碳纖維織布、碳纖維無紡布、碳黑紙。碳纖維紙的平均孔徑約為 10.0 μm，孔隙率為 0.7~0.8，制造工藝成熟、性能穩定、成本相對較低，是支撐層材料的首選；在應用前需進行疏水處理，確保 GDL 具有適當的水傳輸特性，通常是將其浸入到疏水劑（如 PTFE）的水分散溶液中，當內部結構被完全浸透后轉移至高溫環境中進行干燥處理，從而形成耐用的疏水涂層。為進一步提高碳纖維紙的導電性，可能還會進行額外的碳化、石墨化過程。
在功能角度看，GDL 均勻地將反應氣體從流場引導至催化劑層，確保組件的機械完整性，并以一定的速度排除陰極上的反應產物（水），防止陰極催化劑層發生“水淹”，也避免因失水過多導致陰極組件干燥而降低各離子的傳導率。
展開 視頻分享 I 利用系統仿真解決氫生態系統挑戰
觀看本次網絡研討會，了解仿真如何幫助克服內燃機中與氫相關的特定挑戰，包括火焰傳播速度、氣體擴散和自動點火。系統仿真還可實現氫儲存系統、噴射系統和充電系統等子系統與燃燒中心的集成。
點擊免費觀看視頻
http://t8iw4ulf0hpixn8k.mikecrm.com/dlQTSxH
講師介紹
帕特里斯·蒙塔蘭 (Patrice Montaland)
脫碳、氫和燃料電池應用專家
他主要負責將系統仿真擴展到新的應用領域，以及拉近軟件開發和仿真工程師之間的距離。帕特里斯畢業于里昂國立應用科學學院，主修機械工程專業。他于 2008 年加入西門子，在此之前，曾在汽車、卡車和氫行業工作了 9 年，積累了豐富的經驗。
展開 綠色氫能仿真測試解決方案合集 I 電化學、燃料電池、輸氫管道、天然氣、Star-CCM+...
我國氫能產業仍處于成長期，還存在很多亟待解決的問題，如膜電極材料及制備工藝，氫脆現象，系統集成等
氫能源仿真測試系列直播
本次研討會整合西門子綠色氫能行業的仿真測試解決方案，5個專題報告覆蓋
電化學、催化、燃燒反應微觀尺度，PEM膜、
氣體擴散層介觀尺度到電解工廠系統
、
輸氫管道布局
的
宏觀尺度，涉及
Amesim
、
Flomaster
、
STAR-CCM+
等軟件，通過
案例介紹加軟件操作演示
的方式，介紹西門子對上述難題的思考。
一起探索綠氫行業的無限可能！
直播日程表
直播內容
☆第一期 Simcenter氫能仿真解決方案
Simcenter 是西門子為設計研發打打造仿真和測試平臺
直播內容：介紹 Simcenter 在綠氫制備、氫儲運、氫利用環節的仿真解決方案，覆蓋電化學、催化、燃燒反應微觀尺度，PEM膜、氣體擴散層介觀尺度到電解工廠系統、輸氫管道布局的宏觀尺度等應用案例。
展開 熱塑性彈性體TPE發泡原理及應用
做發泡就像蒸饅頭酵母發面一樣，是發泡劑分解所釋放的氣體，被膠料包圍形成的炮孔，使膠料膨脹形成海綿。
決定發泡的主要影響因素如下：
1、發泡劑的發氣量和分解速度
這個有些類似酵母菌的好壞和活性，一般分解溫度低的發泡劑分解速度快，同一種發泡劑，粒徑小的、加工溫度高的發泡速度高。一般發氣量大的分解速度快的，形成的泡孔大，容易形成開孔效果。
2、發泡助劑的影響
分解溫度高于TPE/TPR加工溫度的發泡劑正常生產是無法發泡的，需要添加一些助劑來降低分解溫度ZnO及其他鋅鹽效果最好。
3、膠料粘度影響
粘度影響氣體在膠料擴散速度。粘度太低，氣體擴散太快，容易溢出，不容易產生氣泡。如果粘度太高，就限制了氣體膨脹，內壓大孔徑小。要是做開孔效果可以粘度小些，閉孔效果可以大些。
常見的熱塑性彈性體TPE/TPR發泡如拖鞋鞋底TPE/TPR發泡，酒瓶塞TPE/TPR發泡等等，近年來一些減震墊，防滑墊，密封條TPE/TPR產品也開始朝著發泡方向考慮。根據產品要求，發泡倍率（發泡效果）不同，有高發泡和微發泡之分。
TPE/TPR進行發泡處理，主要依據其功能特性之考慮。如拖鞋鞋底TPE/TPR,主要是考慮到輕便，踩上去更有軟綿綿的效果.酒瓶塞發泡，主要考慮到質輕。實際上TPE/TPR往發泡領域發展，主要是考慮到輕量化，很多場合需要產品質輕，另外材料往輕量化發展，也能降低原材料成本。
展開 