二氧化碳泄漏扩散规律研究：数值模拟与实验验证
本研究由来自安徽理工大学的王文芳（Wang Wen-fang）完成，其论文《不同通风形式下的CO2气体泄漏扩散数值模拟》（英文标题：Numerical simulation of CO2 gas leakage and diffusion under different ventilation modes）发表于《化工设计通讯》（Chemical Engineering Design Communications）期刊第46卷第10期（2020年10月）。
一、 研究的学术背景
本研究属于安全科学与工程、流体力学以及计算流体动力学（CFD）交叉领域。随着碳捕集、利用与封存（CCUS）技术的快速发展，二氧化碳（CO2）的管道安全输运问题日益受到重视。CO2作为一种密度大于空气的“重气”，一旦发生泄漏，会在近地面区域积聚，形成高浓度危险区域。高浓度的CO2环境会置换氧气，导致人员缺氧，引发头晕、呼吸困难甚至死亡，且其危害具有隐蔽性。因此，深入研究CO2在受限空间内的泄漏扩散规律，对于预测危险区域、指导应急预案制定、保障人员生命安全具有重大意义，也为CCUS技术中CO2运输环节的安全设计提供了重要的理论依据和数据支持。
研究者指出，目前研究气体泄漏扩散主要有两种方法：搭建物理实验平台和利用仿真软件进行数值模拟。物理实验成本高、重复性差，而数值模拟方法则具有成本低、可重复性高、能模拟复杂条件等优点。然而，数值模拟的准确性高度依赖于物理模型和计算方法的正确选择。Fluent软件作为行业内广泛应用的CFD工具，其模拟结果在许多研究中已被证实与实验数据吻合良好。本研究的主要目的在于，利用Fluent软件模拟恒定流量CO2在两种不同通风条件（封闭空间与带有自然通风口的空间）下泄漏至受限空间的过程，对比分析其浓度场随时间演变的差异及规律，并最终通过构建同等规模的实验舱对仿真模型的有效性进行验证。
二、 研究工作的详细流程
本研究的工作流程可分为四个主要步骤：几何建模与网格划分、Fluent仿真模型建立与计算、实验系统搭建与数据采集、以及仿真与实验结果的对比分析。
第一步：几何建模与网格划分（ICEM前处理） 研究人员首先使用Fluent的专用前处理软件ICEM进行几何建模和网格划分。研究的目标空间是一个尺寸为3米（长，x轴）× 1.8米（宽，y轴）× 2.5米（高，z轴）的长方体受限空间。在其中一个端面（x=0m的平面）上，设置了一个直径为1毫米的圆形泄漏口（命名为inlet），圆心位于坐标（0， 0.88， 0.865）处。在顶面（z=2.5m的平面）上，设置了一个大小为0.7米×1.0米的矩形自然通风口（命名为outlet）。在封闭空间的模拟中，此通风口被设置为壁面。
网格划分采用非结构化网格方法，以四面体网格为主，这种方法的优点是自动化程度高，适用于相对复杂的模型。为了提高计算精度，特别是捕捉泄漏口附近高速流动的气体细节，研究人员对整体网格尺寸（0.1米）进行了局部加密，在流动剧烈的区域将网格尺寸加密至0.001米。完成网格划分后，进行了网格光顺处理以确保网格质量，并最终输出供Fluent求解器使用的网格文件。
第二步：Fluent建模、求解与仿真设置 将ICEM生成的网格文件导入Fluent后，研究按以下步骤进行设置和计算： 1. 求解器与模型设置： 采用基于压力的瞬态求解器。由于CO2是重气，在Z轴（垂直方向）设置了重力加速度。考虑到扩散过程不涉及化学反应，仅需打开组分输运模型，将计算域内的流体定义为空气与CO2的混合气体。混合气体的密度模型选择“不可压缩理想气体”。 2. 边界条件设置： 这是模拟的核心之一。 * 泄漏口 (inlet): 类型设置为“质量流量入口”，恒定流量为0.0005 kg/s。此处CO2的质量分数设置为1（即纯CO2泄漏）。 * 通风口 (outlet): 类型设置为“压力出口”，表压为0（即环境大气压）。此处CO2的背景质量分数设置为0.0005（近似为空气中CO2的正常含量）。 * 壁面： 采用标准壁面函数，设定为无滑移边界条件。 * 操作压力： 设置为标准大气压。 3. 湍流模型： 选择工程中广泛使用的标准k-ε双方程湍流模型，并开启了全浮力效应选项，以准确模拟重气在重力作用下的沉降和浮力扩散。 4. 求解算法与初始化： 采用SIMPLE算法进行压力-速度耦合求解。初始化时，将整个计算域内CO2的初始质量分数设为0.0005。时间步长设为1秒，每个时间步迭代10次，总模拟时长为70秒。 5. 监测点设置： 为了定量分析空间内不同位置的浓度变化，在空间内设置了四个监测点，坐标分别为测点一（1， 0.88， 0.3）、测点二（1， 0.88， 1.5）、测点三（2， 0.88， 0.3）、测点四（2， 0.88， 1.5）。这些监测点位于同一y平面（0.88m），但在泄漏口的下游（x=1m和x=2m）以及不同高度（z=0.3m低处和z=1.5m高处）。
通过改变“outlet”边界的类型（压力出口或壁面），即可在同一个几何模型上分别模拟“有自然通风口”和“封闭”两种工况。此外，为了简化模型、聚焦主要物理过程，模拟作出了三点合理假设：泄漏气体不发生相变；泄漏过程与环境无热量交换（等温）；不发生化学反应。
第三步：实验系统搭建与数据采集 为了验证数值模拟结果的可靠性，研究团队搭建了一个与仿真模型尺寸完全相同的实体实验舱，构成了完整的实验验证系统。该系统主要包括： 1. 气源与控制系统： 使用高压钢瓶提供CO2气源，经过缓冲罐稳压后，由流量计精确控制泄漏流量，使其与模拟条件一致（0.0005 kg/s），最后通过管道和泄放口释放到实验舱内。 2. 浓度监测系统： 在实验舱内部，与仿真监测点完全相同的位置，布置了四个型号为COZIR-WX-20%的CO2浓度传感器。 3. 数据采集系统： 利用“组态王”软件平台开发了监控系统，实时采集并存储四个传感器测得的CO2浓度数据。
通过这套系统，研究人员可以在与仿真完全相同的几何空间和泄漏条件下，获得真实的CO2浓度随时间变化的曲线，用于与仿真结果进行对比。
第四步：仿真与实验结果对比分析 研究人员首先对比了两种通风形式下仿真得到的监测点浓度曲线（模拟时长670秒），然后重点对比了有自然通风口条件下，仿真与实验获得的监测点浓度曲线。所有对比均基于四个监测点的数据。同时，还分析了不同时刻（如180秒和360秒）在y=0.88m截面上的浓度分布云图，以直观展示浓度场的空间演变特征。
三、 研究的主要结果
1. 不同通风形式下的浓度变化规律（仿真结果对比）： 通过对比封闭空间与有窗空间四个监测点的仿真浓度曲线，得到了清晰的规律： * 在泄漏初期（约200秒内），两种通风形式下四个监测点的浓度上升曲线几乎完全重合。这表明在泄漏初始阶段，从泄漏口射出的CO2羽流尚未充分发展并到达通风口，自然通风的作用尚未显现。 * 泄漏约200秒后，差异开始出现。带有自然通风口的空间内，所有监测点的CO2浓度均开始明显低于封闭空间对应位置的浓度。这是因为积累的气体开始通过通风口向外扩散，降低了空间内的整体浓度水平。 * 对比不同高度的监测点发现，位于上方的测点二和测点四（z=1.5m），其浓度曲线出现分离（即有窗与封闭的浓度差）的时间点，要早于位于下方的测点一和测点三（z=0.3m）。这是由于自然通风口设置在空间顶部（z=2.5m），高处气体更容易被排出。这一现象揭示了在无外界风干扰的受限空间内，CO2泄漏扩散前期主要由重力沉降主导，气体首先在底部积聚，然后才逐渐向上部扩散。
2. 仿真模型的有效性验证（仿真与实验对比）： 将有自然通风口的仿真结果与实验结果进行对比，是本研究验证工作关键的一环。对比图显示，四个监测点的仿真浓度曲线与实验传感器测得的浓度曲线，在变化趋势上高度吻合。尽管可能存在细微的数值偏差，但浓度随时间上升的整体趋势、曲线拐点出现的大致时间以及不同监测点之间的相对浓度关系都得到了很好的重现。这一结果有力地证明了本研究所建立的Fluent仿真模型（包括几何模型、网格策略、物理模型、边界条件设置和求解参数）是有效且可靠的，能够较为准确地预测该特定场景下CO2的泄漏扩散行为。
3. 泄漏扩散云图的空间分析： 通过对y=0.88m截面在不同时刻的浓度云图进行分析，研究得到了更丰富的空间分布信息： * 重力沉降与不均匀分布： CO2泄漏后，清晰可见其首先在泄漏口下方地面附近积聚，形成高浓度区域。由于泄漏速度较大（射流效应），气体能喷射到空间远端，导致在180秒时，无论是封闭还是有窗空间，模型右侧（远泄漏口端）的浓度普遍高于左侧（近泄漏口端，除泄漏口附近外）。这表明在泄漏初期，射流动量对浓度分布的影响显著。 * 通风效应的空间体现： 到360秒时，封闭空间（图5d）依然保持右侧浓度高的特征。然而，在有窗空间（图5c）的云图中，可以清楚地看到在通风口正下方区域形成了一个明显的低浓度区，并且此时整个截面上的浓度分布发生了反转：左侧（靠近泄漏口但远离通风口）的浓度变得高于右侧（靠近通风口）。这直观地表明，通风口发挥了有效的排放作用，导致其附近及下游区域的CO2被迅速带走。 * 浓度最高点： 在整个模拟过程中，平面上浓度最高的点始终集中在泄漏口附近，这与泄漏源持续释放的特性相符。
四、 研究的结论
综合仿真与实验结果，本研究得出以下主要结论： 1. 模型有效性： 通过构建同等规模的实验舱进行对比验证，证实了本研究所采用的基于Fluent软件的仿真模型、物理设置和计算方法能够有效地模拟恒定流量CO2在受限空间内的泄漏扩散过程。 2. 通风形式的影响： 通风条件对受限空间内CO2的积聚有决定性影响。在泄漏初期（约200秒内），自然通风口的作用不明显；但随着时间推移，带有自然通风口的空间能显著降低内部CO2的整体浓度水平。不过，即使有通风，在持续泄漏源下，空间内浓度总体仍呈上升趋势。 3. 扩散规律的特征： CO2作为重气，其扩散呈现出复杂特征。在泄漏速度较大时，受限空间内的浓度分布极不均匀，存在明显的局部分层现象。整个扩散过程是重力沉降、射流动量、浮力扩散和通风对流等多种机制共同作用的结果。不同通风形式会显著改变空间内（特别是左右两侧）的浓度分布随时间演变的规律。
五、 研究的意义与价值
本研究的科学价值在于，系统地将数值模拟与物理实验相结合，为研究重气（特别是CO2）在受限空间内的泄漏扩散问题提供了一个可靠、可复现的研究范式。它详细展示了从几何建模、网格划分、物理模型设置、求解计算到实验验证的完整CFD应用流程，对后续相关研究具有方法学上的参考意义。
其应用价值则更为直接和重要。研究结论能够为涉及CO2储存、运输和使用的工业场所（如CCUS项目中的管道沿线、储罐区、实验室）的安全风险评估提供理论依据。研究成果有助于预测泄漏事故发生后危险浓度的形成范围和时间，为设计有效的通风排烟系统、确定气体监测报警器的优化安装位置、制定科学的应急疏散预案提供关键的数据支持，从而切实保障人员的生命安全和设施的安全运行。
六、 研究的亮点