本发明涉及可燃气体约束泄爆研究技术领域，尤其涉及室内可燃气体约束泄爆数值计算域长度尺寸的确定方法。
背景技术：
目前，天然气、氢气等可燃气体具有广泛的用途，它们既是工业原材料，又可以作为燃料为人们的生产生活提供能量。然而这些可燃气体一旦发生泄漏，与空气混合后形成的爆炸性预混气体遇热源或火花极有可能引发爆炸事故，有关可燃气体泄漏爆炸的事故时有发生。在民用建筑或工业厂房内发生可燃气爆炸事故时，门窗以及轻质墙体通常构成典型的约束泄爆结构，从而诱发约束泄爆灾害效应。研究受限空间可燃气体的泄爆灾害效应有助于认识泄爆流场规律，提高对室内气体爆炸灾害的防控能力，为此学者们对可燃气体在受限空间内的约束泄爆灾害效应开展了大量研究。
由于大尺度泄爆实验难度较大、且安全性低，因此很多学者采用计算流体动力学(cfd)技术对爆炸流场进行数值计算。采用数值方法研究可燃气体约束泄爆时，需要考虑泄爆口外部计算域尺寸对爆炸效应的影响，而通常泄爆口长度方向上的尺寸对泄爆效应影响最大。在确定泄爆口外部计算域长度尺寸时，如果长度尺寸过小，则不能完整的获取爆炸流场数据，如果长度尺寸过大，则会增加计算时间，造成不必要的浪费。因此，针对室内可燃气体约束泄爆过程，提出一种数值计算域的快速有效确定方法有助于提升此类研究的准确性和科学性，对可燃气体约束泄爆的数值研究过程具有重要的意义。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种室内可燃气体约束泄爆数值计算域长度尺寸的确定方法，利用该确定方法可以为气体爆炸数值模拟时计算域长度尺寸的选取，以及准确泄爆流场的获取提供参考依据，从而提高室内气体爆炸灾害的防控能力。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种室内可燃气体约束泄爆数值计算域长度尺寸的确定方法，所述方法包括：
步骤1、通过实验或文献调研获取与数值研究模型的尺度类似的爆炸超压实验数据；
步骤2、利用数值仿真软件建立约束泄爆物理模型，并根据待研究房间的尺寸，在泄爆口外部设计不同长度尺寸的计算域用于开展数值分析；
步骤3、利用所建立的约束泄爆物理模型开展数值计算，分别获得不同长度尺寸的计算域下的相关爆炸超压实验数据；
步骤4、将步骤3获得的数据结果与步骤1的数据结果进行对比，获得相对误差最小时的计算域长度尺寸；
步骤5、根据步骤4所获得的计算域长度尺寸确定泄爆口外部计算域长度尺寸lout，再加上待研究房间的长度尺寸l，获得整个计算域的长度尺寸l＝l+lroom。
所述爆炸超压实验数据包括：
室内峰值超压、超压曲线上的最大振荡幅值、不同位置的超压曲线、室内峰值超压曲线和火焰速度。
在所述步骤2中，建立约束泄爆物理模型的过程具体为：
将待研究房间的物理模型设为长方体，其尺寸表示为：
式中，mroom表示房间物理模型尺寸；l表示房间的长度；w表示房间的宽度；h表示房间的高度；
则计算域尺寸表示为：
式中，mcomputation表示计算域尺寸；lout表示房间泄爆口外部计算域尺寸；w表示计算域的宽度；h表示计算域的高度。
在所述步骤4中，将步骤3获得的数据结果与步骤1的数据结果进行对比，获得相对误差最小时的计算域长度尺寸的过程具体为：
根据数值仿真结果获取不同计算域时的室内峰值超压，并与步骤1中获得的室内峰值超压进行对比，检验各组数据与实验结果的相对误差分布，拟选出合适的外部计算域长度尺寸s1；
根据数值仿真结果获取不同计算域时的超压曲线上的最大振荡幅值，并与步骤1中获得的最大振荡幅值进行对比，检验各组数据与实验结果的相对误差分布，拟选出合适的外部计算域长度尺寸s2；
根据数值仿真结果获取不同计算域时的超压曲线，并与步骤1中获得的超压曲线进行对比，检验各组数据超压曲线上的振荡效应是否充分展示外部气体动力学效应，拟选出合适的外部计算域长度尺寸s3；
根据数值仿真结果获取不同计算域时的泄爆口附近的峰值超压曲线，并与步骤1中获得的峰值超压曲线进行对比，检验各组数值计算的峰值超压曲线是否随着计算域尺寸增加而趋于稳定，拟选出合适的外部计算域长度尺寸s4；
根据数值仿真结果获取不同计算域时的火焰速度，并与步骤1中获得的火焰速度进行对比，拟选出合适的外部计算域长度尺寸s5。
在所述步骤4中，在获得相对误差最小时的计算域长度尺寸时，还同时综合外部二次爆炸、helmholtz振荡、taylor不稳定性带来的气体动力学效应，最终确定计算域长度尺寸。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用上述方法可以为气体爆炸数值模拟时计算域长度尺寸的选取，以及准确泄爆流场的获取提供参考依据，从而提高室内气体爆炸灾害的防控能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的室内可燃气体约束泄爆数值计算域长度尺寸的确定方法流程示意图；
图2为本发明实例所述实验中距离后壁0.4m位置的超压时间曲线示意图；
图3为本发明所举实例中数值计算物理模型的示意图；
图4为本发明实例所述不同尺寸计算域在房间中心附近(测点5)的超压时间曲线示意图；
图5为本发明实例所述不同尺寸计算域在房间内泄爆口附近(测点10)的超压时间曲线示意图；
图6为本发明实例所述3类不同尺寸的计算域在房间外约束泄爆口附近(测点11)的超压时间曲线示意图；
图7为本发明实例所述4组计算域在约束泄爆口附近的压力峰值对比示意图；
图8为本发明实例所述不同计算域尺寸对火焰速度的影响示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的室内可燃气体约束泄爆数值计算域长度尺寸的确定方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、通过实验或文献调研获取与数值研究模型的尺度类似的爆炸超压实验数据；
在该步骤中，爆炸超压实验数据包括：室内峰值超压、超压曲线上的最大振荡幅值、不同位置的超压曲线、室内峰值超压曲线和火焰速度。
这里，本发明实施例分别考察泄爆口外部不同尺度的计算域时的室内峰值超压、超压曲线上的最大振荡幅值、不同位置的超压曲线、室内峰值超压曲线、火焰速度等变化情况。研究发现随着泄爆口外部计算域长度尺寸的增加，室内峰值超压呈现逐渐减小趋势，超压时间曲线上的最大振荡幅值则随之增加，而数值计算的峰值超压和最大振荡幅值与实验结果的相对误差逐渐减小；同时随着泄爆口外部计算域长度增加，房间内超压曲线上的振荡效应呈现增加趋势，但峰值超压曲线趋于稳定；随着计算域长度增加，火焰速度在泄爆口附近则呈现降低趋势。
由此表明：泄爆口外部计算域尺寸对房间内可燃气体约束泄爆有明显影响，在利用数值模拟方法研究房间内气体泄爆时，需要考虑泄爆口外部计算域尺寸对房间内泄爆效应的影响，选取合适的外部计算域尺寸。基于上述研究结果，在确定泄爆口外部数值计算域尺寸时，需要分别从室内峰值超压、超压曲线上的最大振荡幅值、不同位置的超压曲线、室内峰值超压曲线、火焰速度等角度进行考虑，根据每一个约束泄爆效应参数各推荐一个合适的外部计算域尺寸，再综合对比各个尺寸，优选出最佳的约束泄爆数值计算域尺寸。
步骤2、利用数值仿真软件建立约束泄爆物理模型，并根据待研究房间的尺寸在泄爆口外部设计不同长度尺寸的计算域用于开展数值分析；
该实例中，待研究房间的物理模型为长方体，其尺寸可表示为：
式中，mroom表示房间物理模型尺寸；l表示房间的长度，m；w表示房间的宽度，m；h表示房间的高度，m。
该物理模型中计算域为长方体，其尺寸可表示为：
式中，mcomputation表示计算域的尺寸；l表示计算域的长度，m；w表示计算域的宽度，m；h表示计算域的高度，m。
由于计算域长度方向的尺寸对爆炸影响较大，因此研究中需要确认长度方向的计算域尺寸。而计算域包括房间和泄爆口外部两个部分尺寸，即l＝l+lout。因此，计算域尺寸可表示为：
式中，lout表示房间泄爆口外部计算域尺寸。
为了获取最优的外部计算域长度尺寸，通常需要设计一组尺寸进行对比分析。在外部计算域尺寸设计过程中，为了尽可能的提高计算结果的精度，并缩短计算时间。本发明以房间长度尺寸的1/n等份长度的m倍作为外部计算域选取时的参考标准，具体可表示为：
式中，m和n均为整数，在计算过程中可以根据房间长度灵活取值。
步骤3、利用所建立的约束泄爆物理模型开展数值仿真分析，分别获得不同长度尺寸计算域时的相关爆炸超压实验数据；
这里，每次计算过程利用公式(2)的房间模型以及公式(3)和(4)的计算域尺寸建立物理模型，进行仿真计算。
计算时利用计算流体动力学技术，采用有限体积法数值对包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等一系列方程组进行求解，最终获得超压数据。
步骤4、将步骤3获得的数据结果与步骤1的数据结果进行对比，获得相对误差最小时的计算域长度尺寸；
在该步骤中，具体过程为：
根据数值仿真结果获取不同计算域时的室内峰值超压，并与步骤1中获得的室内峰值超压进行对比，检验各组数据与实验结果的相对误差分布，拟选出合适的外部计算域长度尺寸s1；
根据数值仿真结果获取不同计算域时的超压曲线上的最大振荡幅值，并与步骤1中获得的最大振荡幅值进行对比，检验各组数据与实验结果的相对误差分布，拟选出合适的外部计算域长度尺寸s2；
根据数值仿真结果获取不同计算域时的超压曲线，并与步骤1中获得的超压曲线进行对比，检验各组数据超压曲线上的振荡效应是否充分展示外部气体动力学效应，拟选出合适的外部计算域长度尺寸s3；
根据数值仿真结果获取不同计算域时的泄爆口附近的峰值超压曲线，并与步骤1中获得的峰值超压曲线进行对比，检验各组数值计算的峰值超压曲线是否随着计算域尺寸增加而趋于稳定，拟选出合适的外部计算域长度尺寸s4；
根据数值仿真结果获取不同计算域时的火焰速度，并与步骤1中获得的火焰速度进行对比，拟选出合适的外部计算域长度尺寸s5。
另外，在获得相对误差最小时的计算域长度尺寸时，还同时综合外部二次爆炸、helmholtz振荡、taylor不稳定性带来的气体动力学效应，最终确定计算域长度尺寸lout。
步骤5、根据步骤4所获得的计算域长度尺寸确定泄爆口外部计算域长度尺寸lout，再加上待研究房间的长度尺寸l，获得整个计算域长度尺寸l＝lout+l。
具体来说，综合对比外部计算域长度尺寸s1至s5，确定泄爆口外部计算域长度尺寸lout，再加上待研究房间的长度尺寸l，获得整个计算域长度尺寸l＝lout+l。
下面以具体的实例对上述确定方法进行详细说明，假定待测气体爆炸房间尺寸为9m×4.5m×4.5m，并分析了四组不同泄爆口积(20.25m2、10.13m2、5.06m2以及2.25m2)和14种不同障碍物分布的泄爆效应，泄爆口开启压力为2.6kpa，实验中房间内压力与火焰测点位于房间地面。
如图2所示为本发明实例所述实验中距离后壁0.4m位置的超压时间曲线示意图，此图对应泄爆口积为2.25m2和体积阻塞率为0％的爆炸条件。可以看见：超压曲线上有两个明显峰值，第一个峰值p1对应泄爆口开启时刻，第二个峰值压力对应于外部爆炸，并呈现出了一系列振荡峰值，这些振荡峰值主要由helmholtz振荡和taylor不稳定性引起，此时房间的峰值超压为35.3kpa。
根据普通房间内气体爆炸强度灾害的一般特征，同时为了与大尺度天然气泄爆实验结果进行对比，本实例采用的数值计算物理模型尺寸为9m×4.5m×4.5m，一个面积为2.25m2的泄爆口设置在其中一个垂直墙体的几何中心位置，其开启压力为2.6kpa，从而与实验中的爆炸腔室参数相同。室内无障碍物，房间的地面、顶板和墙体均设置为刚性属性，点火源位于房间后壁几何中心位置，距离后壁0.1m，点火源半径为0.015m。由于天然气的主要成分为甲烷，因此本实例采用甲烷体积浓度为9.5％的甲烷/空气混合气体作为爆源，点火时甲烷/空气混合均匀，并处于静止状态，计算域内的环境初始压力和初始温度分别设定为1.01325×105pa和300k。基于类似研究中利用计算流体动力学技术开展计算时采用的网格尺寸，本实例采用尺寸为0.1m结构网格。
如图3所示为本发明所举实例中数值计算物理模型的示意图，图中测点位于模型横断面的几何中心位置，测点1位于x轴上0.5m处，测点2至测点9分别位于x轴上1m至8m处，间隔1m；测点10与测点11分别位于x轴上泄爆口两侧，分别距离泄爆口0.2m，其余测点分别位于x轴上9.5m至17.5m处，间隔1m。
为了分析房间泄爆口外部计算域长度对室内爆炸超压的影响规律，本实例分别考查计算域长度l分别为9m、12m、15m、18m(泄爆口外部计算域长度lout分别为0m、3m、6m、9m)时，房间内甲烷气体约束泄爆的灾害效应，试验过程中，保持整个计算域的y方向和z方向尺寸不变，即均为4.5m。房间泄爆口外部计算域空间，除地面为刚性外，其他几个方向均设置为自由开放边界。
具体实现中，在采用数值方法计算室内天然气约束泄爆时，为了选取合适的外部计算域尺寸，本实例从室内峰值超压、超压曲线上的最大振荡幅值、不同位置的超压曲线、室内峰值超压曲线、火焰速度等几个方面探索泄爆口外部不同计算域长度尺寸对室内约束泄爆效应的影响，具体来说：
(1)室内峰值超压
当泄爆口面积为2.25m2时，在房间内距离后壁0.4m位置的峰值超压为35.3kpa。4组不同尺寸的计算域在房间内距离后壁0.4m位置的峰值超压以及与实验结果(35.3kpa)的相对误差见下表1所示，从表1中可以看出，各组数据与实验结果的相对误差都在10％以内，当泄爆口外部计算域的长度lout为3m和9m时，相对误差小于5％，此时说明当泄爆口外部计算域的长度取3m或9m，获得室内峰值更为合理。
表1不同外部计算域时的峰值超压以及与实验结果(35.3kpa)对比的相对误差
(2)超压曲线上的最大振荡幅值
由于气体动力学振荡效应的影响，除了峰值超压，还需要考虑约束泄爆过程中超压曲线的最大振荡幅值，通过对实验和数值计算的超压曲线进行滤波处理获得平滑的超压曲线，并与未滤波的超压曲线进行对比，计算获得超压曲线上的最大振荡幅值。在上述所提及的房间气体泄爆实验中，当泄爆口积为2.25m2时，在房间内距离后壁0.4m位置的最大振荡幅值为3.113kpa。4组不同尺寸的计算域在房间内距离后壁0.4m位置的最大振荡幅值以及与实验结果(3.113kpa)的相对误差见下表2所示，结果表明：随着泄爆口外部计算域增加，室内的最大振荡幅值也随着增加。当外部计算域长度lout为9m时，相对误差为24.78％。此时表明当泄爆口外部计算域取9m时，获得得振荡值更为合理。
表2不同外部计算域时的最大振荡幅值以及与实验结果(3.113kpa)对比的相对误差
(3)室内不同位置的超压时间曲线
如图4所示为本发明实例所述不同尺寸计算域在房间中心附近(测点5)的超压时间曲线示意图，从图4中可以看出：当泄爆口外部计算域为0m时，超压时间曲线为一条平滑的曲线，压力峰值只有p1和p2，没有气体流动引起的压力振荡。而其它几组计算域的压力峰值p1大小基本相同，但随着房间泄爆口外部计算域长度增加，压力峰值p2呈现轻微降低现象，并且超压曲线上的气体动力学振荡现象更加明显。这可能是由于房间泄爆口外部存在计算域时，气体约束泄爆时形成的外部二次爆炸、helmholtz振荡以及taylor不稳定等气体动力学效应会影响室内的超压曲线。
如图5所示为本发明实例所述为不同尺寸计算域在房间内泄爆口附近(测点10)的超压时间曲线示意图，从图5中可以看出：无外部计算域时的超压时间曲线较为平滑，而其他三组超压曲线上有明显的超压振荡峰值。在压力峰值p1后，压力曲线突然下降，并出现小幅振荡，这是由于该点处于泄爆口边缘，受泄爆口开启以及气体流动引起的helmholtz振荡现象的影响。在压力峰值p2后，超压曲线在平衡压力附近出现了较为强烈的振荡，并且超压曲线的振幅随外部计算域的增加而增大。
如图6所示为本发明实例所述3类不同尺寸的计算域在房间外约束泄爆口附近(测点11)的超压时间曲线示意图，从图6中可以看出：压力时间曲线上同样有两个明显的压力峰值。压力峰值p1相同。压力峰值p3基本相同，但随着泄爆口外部计算域尺寸增加，房间外部测点的振荡幅度也随之增加。因此为充分考虑天然气爆炸外部二次爆炸、helmholtz振荡、taylor不稳定性等气体动力学效应对室内超压的影响，推荐泄爆口外部计算域为9m。
(4)室内峰值超压曲线
如图7所示为本发明实例所述4组计算域在约束泄爆口附近的压力峰值对比示意图，从图7中可以看出：同一个计算域中，随着测点距离泄爆口越近，峰值超压呈现明显下降趋势。不同计算域之间，随着泄爆口外部计算域尺寸的增加，各点峰值超压呈现下降趋势。而泄爆口外部计算域尺寸为3m×4.5m×4.5m、6m×4.5m×4.5m和9m×4.5m×4.5m的3条峰值超压曲线在房间内基本重合，表明约束泄爆口外部计算域尺寸对内部峰值超压的影响趋于稳定，因此泄爆口外部计算域长度尺寸lout为3m、6m和9m均满足要求。
(5)室内火焰速度的影响分析
这里通过计算房间内温度曲线来获得火焰在房间内的传播速度，具体就是将火焰到达某一测点的时刻假设等于该点温度上升速率最大的时刻，此时可认为火焰锋面到达该位置。火焰速度是燃烧速率与诱导流速相互作用的结果，燃烧产生压力，从而引发气体流动，对于湍流泄爆而言，诱导流速对火焰速度的影响更大，任何出流速度的改变将会对火焰速度造成极大的影响。
如图8所示为本发明实例所述不同计算域尺寸对火焰速度的影响示意图，从图8中可以看出：火焰速度随着传播距离的增加而增大，且各组计算域在距离点火源5m以内的火焰速度的发展趋势基本一致。这是由于各组算例模型中内没有障碍物，且房间泄爆口尺寸和开启压力相同，因此各房间内诱导流速导致的火焰速度变化基本相同。但在距离点火源5m以外的火焰速度值发生波动，因为这些测点距离泄爆口较近，各测点受泄爆口开启、helmholtz震荡以及taylor不稳定效应等因素影响，导致流场的湍流强度增加，迫使诱导流速发生变化。随着泄爆口外部计算域的增加，在8m处的火焰速度呈现下降的趋势，这与房间内的诱导流场有关。根据前文分析结果可以发现，随着泄爆口外部计算域的增加，房间内峰值超压趋于降低，形成的诱导流速变慢，从而降低了火焰速度。从而火焰传播速度的变化趋势来看，为了考虑气体动力学效应的影响，推荐泄爆口外部计算域的长度尺寸lout为9m。
由以上实例的结果可以看出：本实例分别考察泄爆口外部不同计算域时的室内峰值超压、超压曲线上的最大振荡幅值、不同位置的超压曲线、室内峰值超压曲线、火焰速度等变化情况，并与实验结果开展了对比分析。研究发现随着泄爆口外部计算域尺寸的增加，室内峰值超压呈现逐渐减小趋势，超压时间曲线上的最大振荡幅值则随之增加，而数值计算的峰值超压和最大振荡幅值与实验结果的相对误差逐渐减小；同时，随着泄爆口外部计算域长度增加，房间内超压曲线上的振荡效应呈现增加趋势，但峰值超压曲线趋于稳定；随着计算域长度增加，火焰速度在泄爆口附近则呈现降低趋势。
故在确定泄爆口外部数值计算域尺寸时，分别从室内峰值超压、超压曲线上的最大振荡幅值、不同位置的超压曲线、室内峰值超压曲线、火焰速度等角度进行考虑，根据每一个约束泄爆效应参数各推荐一个合适的外部计算域尺寸，再综合对比各个尺寸，优选出最佳的约束泄爆数值计算域尺寸。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
综上所述，利用本发明实施例所述方法可以为气体爆炸数值模拟时计算域长度尺寸的选取，以及准确泄爆流场的获取提供参考依据，从而提高室内气体爆炸灾害的防控能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。