氣體擴散仿真的案例
AMESIM學習——氣體擴散模型學習&房間通風問題仿真嘗試
氣體擴散模型學習&房間通風問題仿真嘗試
根據這個Demo，這里提出一個問題：我們假設有一個房間內充滿了一氧化碳，現在需要開窗通風降低一氧化碳的濃度才能進入。根據百度，5000ppm即0.5%，也就是說CO濃度降低到0.5%以下，才有進門的可能。為了安全，我們設置0.1%為進門的條件。那么從開窗通風到能夠進門，需要多久呢？這里我們來仿真一下。
FLUENT管道內氣體擴散模擬
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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。
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。
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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 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 污染物擴散預測預警——河流污染物擴散數值仿真
污染物擴散預測預警
CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）是一種通過數值計算方法模擬流體流動、傳熱、傳質等物理過程的工程技術。在污染物擴散的仿真中，通常會利用CFD方法模擬空氣或水中的流動，同時考慮污染物的排放、擴散、沉降等過程。通過CFD仿真，可以得到污染物在空間和時間上的分布情況，從而為預測預警提供數據支撐。這包括污染物的濃度分布、擴散范圍、傳輸路徑等方面的信息，這些信息對于預測預警是非常重要的。
例如，在空氣污染物的擴散模擬中，通過CFD仿真得到不同高度和距離的污染物濃度分布。這可以幫助預測不同區域的空氣質量，從而為決策者提供數據支撐，制定合理的污染控制措施；在水質預報中，可以模擬水體中的流動和污染物傳輸。通過模擬結果，預測未來水質的變化趨勢，為水資源的保護和管理提供數據支持。
具體步驟
1.建立模型：使用適合河流污染物擴散的模型，例如對流-擴散模型或水動力-水質模型等。這些模型會考慮河流中的水流、污染物擴散、化學反應等物理和化學過程。
2.輸入參數：根據實際情況，確定模型所需的參數，例如河流的水流速度、流量、污染物排放量、初始濃度等。
3.數值模擬：利用計算機程序對模型進行數值求解，得到污染物在時間和空間上的分布情況。
4.結果分析：根據模擬結果，分析污染物的擴散趨勢、影響范圍、濃度分布等。
5.預測預警：根據模擬結果，對未來污染物擴散情況進行預測，并制定相應的預警方案。
【計算軟件】OpenFOAM開源平臺
【仿真平臺】自建高性能計算集群
【算例說明】通過CFD數值仿真，可得到污染物擴散的時空分布，為預測預警提供數據支撐
【工程應用】污染物預測預警、水質預報等
【創新貢獻】自動化計算流程+計算參數優化
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展開 公共衛生安全-新冠病毒擴散仿真STEPS
打噴嚏的噴發速度可以達到50m/s，傳播距離遠，擴散范圍廣。
▲小于5微米的氣溶膠通過空氣傳播
通過計算流體力學（CFD）軟件Fluent和人群運動軟件STEPS（Simulation of Transient Evacuation and Pedestrian Movements）的聯合仿真模擬，可以對軌道交通內COVID-19病毒攜帶者打噴嚏時產生的一系列連鎖反應進行針對性的研究，如氣溶膠的運動、擴散、濃度分布以及感染人群等等。
解決方案
氣溶膠屬于多相流流體力學范疇，在空氣中的運動與擴散屬于離散流體流動，受空氣湍流、環境熱輻射以及顆粒間作用力影響。
本式例采用離散顆粒群軌跡模型DPM模擬噴嚏氣溶膠與空氣的相間耦合流動，采用k-ω SST模型模擬空氣的湍流運動，以Coupled方法進行壓力-速度耦合計算，最后與STEPS聯合仿真，構建軌道交通內生物源性氣溶膠擴散及感染人群的數值模擬解決方案。
具體操作
假設噴嚏氣溶膠為球形顆粒，直徑1.5-8.5微米，密度1100kg/m3，溫度310K，質量流率1 x e-10 kg/s，空氣密度為1.2kg/m3，主要受到重力、拖曳力和布朗力的作用。
仿真結果
■ 噴嚏氣溶膠自噴射后，向各個方向擴散，其傳播距離、擴散范圍與噴射速度成正比關系，速度越大，傳播距離越遠，擴散范圍越大。
■ 從顆粒物質量濃度圖可以看出氣溶膠顆粒污染物從人的口腔飛出后，在人的口腔附近有較小的密集分布，在人體前1.0m處基本向前下方運動，而氣溶膠顆粒隨氣流運動。
仿真意義
CFD/DPM與STEPS的聯合仿真能夠直觀的顯示病毒氣溶膠在人群中的擴散路徑。
展開 污染物擴散仿真軟件
為了滿足我國大氣擴散與環境保護的需求,將計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)的理論用于研究污染物擴散分析中的實際工程問題，具有重要的工程價值和社會意義。
二、軟件介紹
針對污染物擴散問題的工程特點，軟件集前處理器、求解器、后處理器于一身，大大降低了軟件使用的門檻，用戶僅僅需要通過簡單的操作，便可完成建模、求解、結果分析，大大提高了工程師的工作效率。
2.1 幾何建模
軟件內建了基本實體、地形、任意多面棱柱體等場用的幾何模型，僅僅需要指定模型的基本參數，軟件就可以完成模型的構建與渲染。
2.2 生成網格
依據有限體積法(Finite Volume Method,FVM)的原理，采用正交網格可以最大程度的減少界面插值引起的數值誤差，軟件可以生成六面體占優的計算網格。網格生成的原理是：采用正六面體單元生成背景網格，然后給句網格參數與建立的幾何模型(幾何模型可以由外部導入，也可以利用軟件內建的工具生成)迭代切分成最終的計算網格。目前，軟件支持自動化的非均勻網格，同時可以方便地生成邊界層網格。
2.2求解器
針對所研究問題的特殊性，軟件求解器分成內流、外流兩大模塊，內流可以求解速度、壓力、溫度等變量；外流除了可以求解速度、壓力、溫度以外，還可以求解空氣齡、SO2、NOX、PM2.5等流動變量。同時軟件提供了粒子追蹤模塊，可以方便輸入計算條件，方便研究工程中顆粒物的遷移演化過程。
2.3 后處理器
軟件提供了方便、快捷的后處理模塊，可以快速地讀入計算結果，可以以不同的方式查看計算結果，自動生成計算報告，提高了用戶工作效率。
展開 基于EDC模型的噴射擴散火焰Fluent仿真 ￥299
軸對稱射流擴散火焰，因為廣泛和準確的實驗測量是可行的。數據收集于Sandia國家實驗室，包括同步點測量ofT, N2, O2, CH4, CO2, H2O, H2 OH,NO，和CO。實驗數據鏈接，即測量了一組火焰，范圍從層流(表示火焰A)到近全滅(火焰F)，本算例選擇中等程度局部腐蝕的火焰(火焰D)。
火焰D是軸對稱射流擴散火焰。該燃燒器的主噴嘴直徑為7.2 mm，被外徑為18.2 mm的燃燒過的先導環空包圍。引火器用于延遲火焰吹滅。主要射流成分為25%的ch4和75%的空氣(按體積計)，為便于造型而選擇了減小煤煙。混合物的化學計量值為0.351，火焰長度(定義為混合物在軸上的化學計量點)約為47個噴嘴直徑。
網格模型
EDC模型優化計算結果
收費文件列表
CH4-skel.che 為燃料和燃燒化學反應專用文件，可以導入。flameD.pdf.gz為部分預混燃燒參數設置好以后的導出文件，也可以直接導入Fluent使用。其他為Fluent常見文件及數據結果文件。
展開 35 Fluent實用案例 | 摻氫天然氣管道泄露擴散過程仿真
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。
1 workbench 設置
本案例的計算模塊如下圖所示：
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
依據相關文獻，對幾何模型進行建立，其中管道為wall，y軸上方壁面為壓力出口，其他面位symmetry，管道泄露孔為φ=10mm的壓力入口，具體幾何尺寸如下：
2.2 網格設置
采用Fluent meshing進行網格劃分，對泄漏孔附近網格進行加密，具體的網格劃分如下圖所示：
3 FLUENT 設置
3.1 General設置與網格導入
首先導入網格，因為是研究擴散規律，因此需要開始瞬態，具體設置如下圖所示。
展開 
基于FLUENT中PDF模型的射流擴散火焰仿真 ￥299
基于EDC模型的噴射擴散火焰Fluent仿真帖子中利用edc模型仿真計算了火焰D。
本算例將基于FLUENT中PDF模型再次仿真火焰D。主噴嘴直徑為7.2 mm，被外徑為18.2 mm的燃燒過的先導環空包圍。引火器用于延遲火焰吹滅。主要的噴射成分是25%的CH4和75%的空氣(按體積計算)，化學計量值混合比例為0.351，火焰長度(定義為混合比例在軸上的化學計量點)約為47倍噴嘴直徑。PDF傳輸解決方案則分為兩步，首先利用FLUENT中部分預混合模型獲得穩態的燃燒初始流場，然后利用復合的PDF傳輸模型仿真獲得更加精細的瞬態燃料流程。
部分預混燃燒模型仿真溫度分布
PDF傳輸模型仿真計算得到的co質量分布
PDF傳輸模型仿真的精細燃料流場，溫度分布收費文件列表
展開 Fluent 摻氫天然氣管道泄露擴散過程仿真(一)
<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。</p><p><br></p><p><strong>1 workbench 設置</strong></p><p>本案例的計算模塊如下圖所示：</p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/6OCfD1OjTxpXGRhdSbGgRj7IyicwxCoUyzd408XKBeb96yj80iaDQlNHoX6h7hTjouLic1vROju7BErketGTloVtA/640?wx_fmt=png&from=appmsg"></p><p><br></p><p><strong>2 SCDM 設置</strong></p><p><strong>2.1 導入幾何</strong></p><p>依據相關文獻，對幾何模型進行建立，其中管道為wall，y軸上方壁面為壓力出口，其他面位symmetry，管道泄露孔為φ=10mm的壓力入口，具體幾何尺寸如下：</p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/6OCfD1OjTxpXGRhdSbGgRj7IyicwxCoUywo4JxvkEbn2icVY7uFSJhhGfIvRI0ick87ne232cbqZfUV3w6ktib51nw/640?
展開 混凝土內干濕交替環境下的氯離子擴散數值仿真 ￥1500
干濕交替環境下需要考慮混凝土內非飽和水環境下的氯離子傳遞過程，推導建立了液態孔隙溶液的遷移擴散系數和氣態孔隙溶液的遷移擴散系數，對于孔隙水整體遷移系數，即通過以上推導的兩個遷移系數表示，在此基礎上，計算得到氯離子在本身濃度差影響下以及孔隙溶液遷移影響下的干濕交替環境下的擴散分布結果，如圖2所示。
圖1 幾何模型
圖2 孔隙內溶液飽和度的動態變化分布
圖3 氯離子擴散動態分布
感興趣朋友可下載模型源文件。歡迎合作交流
潮汐力作用下飽和滲流運動以及鹽分輸送擴散的數值仿真 ￥800
<p>本案例模擬了一海灘表面上的潮汐力作用下飽和滲流運動以及鹽分的遷移擴散運動，模型如圖1所示。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202201/b18f177f79114a919fe6083a5e71b5da.png" alt="m2.png"></p><p class="ql-align-center">圖1</p><p>鹽分場的濃度擴散分布結果如圖2所示。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202201/54bf832538954207947a77895b23c394.png" alt="m1.png"></p><p class="ql-align-center">圖2</p><p>鹽濃度動態分布結果如圖3所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202201/eb01daf4f5c5494dabe39cd2e8ba6d3a.gif" alt="鹽分輸送.gif"></p><p class="ql-align-center">圖3</p><p>滲流場速度流線變化如圖4所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202201/54476f02153a47ed9fdffa05fbcbaf77.gif" alt="流線.gif"></p><p class="ql-align-center">圖4</p><p>感興趣的朋友，如想詳細了解仿真過程，可下載模型源文件進行查看，歡迎進行交流！</p><p><br></p><p><br></p>
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