本研究论文题为《Numerical simulation and experimental study of gas diffusion in a ship engine room》（船舶机舱内气体扩散的数值模拟与实验研究），于2023年发表于期刊《Ocean Engineering》第271卷。文章通讯作者为谢迎春，第一署名单位为位于青岛的中国海洋大学工程学院，合作单位包括山东省海洋工程重点实验室（中国海洋大学）以及山东大学能源与动力工程学院。

一、 研究背景与目的

本研究属于船舶与海洋工程安全、计算流体力学（CFD）及风险预防交叉领域。随着国际能源加速向低碳清洁转型，以液化天然气（LNG）替代燃油作为船舶燃料，成为应对高能耗成本和污染物排放问题的可行方案。然而，在将-162°C的LNG气化为天然气并输送至主机燃烧的过程中，管道可能因材料老化、腐蚀或机械振动而发生泄漏。一旦天然气进入机舱并在爆炸浓度范围（常温常压下体积分数5%-15%）内积聚，遇到点火源将引发火灾或爆炸，对船舶安全构成严重威胁。因此，充分掌握机舱内部热环境下天然气的泄漏与扩散特性，对于LNG动力船舶机舱的设备布局和通风系统设计具有极其重要的意义。

尽管基于计算流体力学（CFD）的数值模拟方法被广泛用于研究天然气泄漏扩散，但现有研究多集中于室外环境下的高压输气管道。船舶机舱环境复杂，内部设备、管道众多，布局错综，主要设备（尤其是主机）散热负荷大。在强制通风条件下，由于设备遮挡和对流换热，舱内流场与温度场呈非线性关联，形成了复杂的流热耦合环境。针对船舶机舱这种相对封闭的室内环境，尤其是考虑多因素耦合（如泄漏量、舱温、通风条件、泄漏位置、设备布局）下天然气泄漏扩散机理的研究尚不充分。此外，数值模拟结果的准确性需要实验数据的验证，但全尺寸实验成本高昂且限制较多。因此，本研究旨在通过结合缩比模型实验与CFD数值模拟的方法，深入探究船舶机舱内轻质气体（天然气/氦气）的扩散规律，为LNG动力船舶的设计与安全评估提供理论依据和数据支持。

二、 研究详细流程

本研究的工作流程遵循“问题提出-模型建立-实验验证-数值模拟-全尺寸应用-结论建议”的路径，具体可分为以下四个主要步骤：

步骤一：缩比模型实验设计与实施

首先，研究团队选取某船舶机舱为原型，其尺寸为18.8 m × 18.3 m × 7.7 m。基于流体力学相似原理，并综合考虑浮力主导的扩散特性和雷诺数自模区，选用弗劳德数（Froude number）作为主要相似准则，建立了1：10的机舱缩比模型（尺寸为1.88 m × 1.83 m × 0.77 m）。模型中设置了6台可调节加热功率的模拟主机，以复现原型机舱的热环境。出于安全考虑，实验使用氦气（物理性质接近天然气，同为轻质气体）代替天然气进行泄漏扩散研究。

实验系统包括模型机舱、气体喷射单元以及测量采集系统三部分。气体喷射系统通过调节阀和流量计控制氦气泄漏速率（16.5 L/min 至 66 L/min），并可调整喷射管位置以模拟不同泄漏点。测量参数包括氦气流量、通风速率和氦气浓度。其中，氦气浓度使用测量范围为0-100%vol、允许误差<±2%的复合气体分析仪进行监测。机舱模型采用具有优异热稳定性的亚克力板作为边界材料，以减少与外界的热交换。

为了研究不同因素对气体扩散的影响并为后续CFD模型验证提供数据，研究设计了五种实验工况，变量包括：机组运行状态（运行/停机）、通风速率（246.6 m³/h，对应原型30次/小时；493.29 m³/h，对应原型60次/小时；0 m³/h）、泄漏速率（16.5 L/min， 66 L/min）以及泄漏位置（机舱侧壁）。在泄漏孔轴线前方0.3米（位于射流核心区）和1.4米（位于射流主体段）处设置了两个监测点M1和M2，实时记录氦气体积浓度随时间的变化。

步骤二：CFD模型的建立、验证与确认

在完成实验后，研究团队建立了与缩比模型几何尺寸及边界条件完全一致的CFD物理模型。数学模型基于以下控制方程：连续性方程（质量守恒）、能量方程、动量方程（纳维-斯托克斯方程）、气体状态方程以及多组分混合物的组分输运方程。针对机舱内气体扩散的湍流流动特性，研究选择了Realizable k-ε湍流模型，该模型已被证明能够有效模拟射流及混合流的扩散过程。

在网格划分上，采用了非结构化网格，并在泄漏口、高温生成区域等对计算精度要求高的地方进行了网格细化。通过网格独立性验证（对比30万至70万不同网格数量下监测点的氦气浓度）和时间步长独立性验证（对比1s至15s不同时间步长），最终确定了计算成本与精度平衡的网格数量（52万）和时间步长（5秒）。边界条件的设置与实验严格对应：泄漏口设为质量入口，空气入口设为速度入口，空气出口设为自由流出，辅助设备设为绝热固壁，主机等热源设为恒定散热功率的加热壁面。

接下来，在五种实验工况条件下进行瞬态数值模拟，并将模拟得到的M1和M2监测点的氦气浓度随时间变化曲线与实验结果进行对比。对比结果表明，尽管存在一些数据波动（主要归因于实验探头精度、仪器延迟效应和手动调节流量引起的微小波动），但模拟结果与实验数据的变化趋势高度一致，最大误差不超过20%。这证实了所建立的机舱内轻质气体扩散CFD模型具有良好的预测能力和可靠性，可用于后续全尺寸机舱的模拟研究。

步骤三：全尺寸机舱天然气扩散过程模拟分析

基于已验证的CFD模型，研究转向对全尺寸（1：1）船舶机舱的天然气泄漏扩散过程进行数值模拟。模拟以天然气为扩散介质，以5%体积分数（天然气爆炸下限）作为危险区域的判定标准。研究系统分析了泄漏量、机舱温度、通风条件和泄漏位置四个关键因素对天然气浓度分布和危险区域演变的影响。

1. 泄漏量的影响：对比了0.25 kg/s（大泄漏）和0.0625 kg/s（小泄漏）两种速率。模拟结果显示，泄漏量越大，机舱内危险区域范围越大，且达到最大扩散范围所需时间越短（大泄漏约250秒，小泄漏约420秒）。两种泄漏率下，天然气的总体扩散规律相似：从泄漏口高速喷出形成射流，在惯性作用下撞击对面舱壁发生“反射”，随后扩散面积迅速增大，并在通风气流和浮力作用下，最终悬浮并聚集在机舱顶部。
2. 温度的影响：对比了机组运行（舱内温度高）和停机（舱内常温）两种状态。结果表明，较高的温度对天然气扩散有促进作用，在机组运行时，除泄漏口附近的核心射流区外，其他区域的天然气浓度普遍高于停机状态。但温度对最终达到的危险区域总体积影响不大。
3. 通风条件的影响：模拟了通风次数为0次/小时、30次/小时和60次/小时三种情况。结果清晰地表明，通风是控制机舱内天然气扩散的最有效手段。无通风时，泄漏气体无法及时排出，危险区域最终会扩散至几乎整个机舱。通风量越大，达到稳定状态时的危险区域体积越小。定量分析发现，将通风量加倍（从30次/小时增至60次/小时），可使危险区域体积减少至原来的约1/3。
4. 泄漏位置的影响：选取了两个不同高度的泄漏点L1和L2进行模拟。L1点前方无障碍物，射流直接冲击对面舱壁形成聚集区；L2点前方有主机遮挡，高速射流撞击主机外壁，导致天然气在主机周围形成聚集区。这表明，障碍物会改变射流路径，并在其附近形成浓度较高的危险区域。

步骤四：数据分析与结论提炼

通过对上述模拟结果的细致分析，研究总结了各因素影响的内在逻辑：泄漏量直接影响近泄漏点区域的初始浓度和喷射动量；温度通过改变气体浮力和湍流强度影响扩散速度；通风条件通过稀释和排出作用直接控制舱内整体浓度水平和危险区域范围；泄漏位置和障碍物布局则决定了泄漏气云的具体扩散路径和局部聚集位置。这些因素相互耦合，共同决定了机舱内天然气泄漏扩散的时空分布特征。

三、 主要研究结果

1. 实验结果表明：在泄漏发生后，靠近泄漏点（M1）的气体浓度在20秒内迅速升高并趋于稳定，其浓度主要受泄漏量影响。远离泄漏点（M2）的浓度则随时间缓慢上升，最终达到动态平衡，其平衡浓度值受到泄漏量、舱温和通风条件的综合影响。具体而言，泄漏量越大、舱温越高，最终平衡浓度越高；通风量越大，平衡浓度越低；在无通风条件下，浓度将持续上升。
2. 模型验证结果：建立的CFD模型能够可靠地复现缩比模型实验中气体浓度的变化趋势，最大误差在20%以内，证明了采用数值模拟预测机舱内气体扩散行为的可行性。
3. 全尺寸模拟结果：系统揭示了各因素对天然气扩散的影响机制。研究表明，增加通风量是降低机舱内天然气浓度、控制危险区域范围最直接有效的方法。泄漏的天然气易在泄漏口附近、射流撞击障碍物的区域以及机舱上层空间聚集。这些区域应作为气体探测传感器布置的重点位置。

四、 研究结论与价值

本研究通过创新性地结合1：10缩比模型实验（使用氦气替代）与CFD数值模拟，系统研究了船舶机舱复杂流热耦合环境下轻质气体的泄漏扩散规律，并成功将验证后的模型应用于全尺寸机舱的天然气扩散模拟。主要结论如下：

1. 所建立的CFD模型能有效预测船舶机舱内轻质气体的扩散行为。
2. 泄漏量、机舱温度、通风条件和泄漏位置是影响天然气扩散的关键因素。其中，通风条件的影响最为显著，增加通风是事故发生后快速排出天然气的有效应急措施。
3. 泄漏气体倾向于在泄漏口附近、射流受阻区域（如障碍物周围、对面舱壁）以及机舱顶部聚集，这些区域是爆炸风险较高的“危险区域”。

本研究的科学价值在于，填补了针对船舶机舱这一特定复杂密闭空间内，考虑多物理场（流场、温度场、浓度场）耦合的天然气泄漏扩散机理研究的空白，提供了一套经实验验证的、可靠的数值模拟研究方法。其应用价值则直接服务于LNG动力船舶的工程实践：研究结果为机舱内天然气探测传感器的优化布置（建议优先布置于易泄漏管线上方、设备背风侧及机舱顶部）提供了理论依据；为机舱通风系统的设计（确保足够通风能力，并考虑事故工况下的加倍通风）和安全评估（预测危险区域，评估爆炸风险）提供了数据支持和决策参考，从而有助于提升LNG动力船舶的整体安全性，促进其更广泛的应用与发展。

五、 研究亮点

1. 方法创新：采用了“缩比模型实验验证 + CFD数值模拟拓展”的复合研究路线。使用氦气安全地进行模型实验，并通过严格的相似准则（弗劳德数）将实验结果与全尺寸模拟联系起来，兼顾了研究的安全性、可行性和实用性。
2. 系统性分析：不仅验证了模型，更利用模型系统性地量化分析了泄漏量、温度、通风、位置等多个关键因素对扩散过程的影响，并给出了通风量加倍可使危险区域减至1/3等重要定量结论。
3. 工程导向明确：研究始终围绕船舶工程安全的具体需求展开，结论直接指向传感器布置和通风系统设计等工程实践问题，具有很高的工程应用价值。
4. 研究完整性：工作流程完整，从理论计算泄漏率、设计实验、验证模型，到应用模型解决全尺寸问题，逻辑链条清晰，数据详实，结论可靠。