ANSYS AutoReaGas气体爆炸和冲击波传播三维CFD软件

ANSYS AutoReaGas气体爆炸和冲击波传播三维CFD软件

newmaker

AutoReaGas是由美国世纪动力公司（Century Dynamics）和荷兰TNO公司联合开发完成的三维计算流体分析软件，2005年被ANSYS公司收购。它主要用来模拟气体爆炸与由此引发的冲击波效应。专门设计用在那些非常拥塞（如管道工程管和设备）和限制（由于建筑物/结构，包括通风口等）的场所，这些场所对燃烧加速有着很重要的影响，从而引起超压。

AutoReaGas在全世界范围得到了广泛的应用，包括从事海上（包含平台、EPSO）、岸上（化学制药和电厂、采矿和运输）设施安全和风险分析领域的咨询人员、承包商、操作人员和研究人员。重要的是，AutoReaGas的可靠性已经得到了验证，如在著名的BFETS 测试中，仿真预测与试验结果吻合得很好。

AutoReaGas是用来模拟气体爆炸及其后效作用的专门的设计软件，并已得到广泛的验证。另外一个很重要的功能：在研究设备或结构对爆炸的响应问题时，AutoReaGas计算结果数据可以很容易地输出到结构分析软件，如ANSYS AUTODYN (显式) 和ASAS (隐式)结构分析软件。

专门用于拥塞和限制（敞开和封闭）的环境中

完整的三维分析

爆炸和冲击波求解器

验证

浸水

和结构分析软件的接口

按用户的要求和方案来制定使用许可证

AutoReaGas可用来模拟气体在拥塞和限制环境中爆炸及其后效作用的CFD软件。拥塞的环境诸如当管道工程管被结构（如防爆墙和建筑）所限制时,软件中可以定义实心墙（封闭的）、部分通风（如爆裂的平板）和完全通风（敞开）的环境，这样软件就同样适用于具有相似环境条件的海上和陆地上设施。

AutoReaGas软件包含一个易于使用的集成的实体模型对象数据库—一个简化的三维CAD 系统—可以将模型的细节表现出来。几何模型可以从基于工业设计系统的第三方CAD软件中输入或者使用集成的功能生成。并且包含一些典型的几何模型，如圆柱体（圆管和设备）、长方体（设备和建筑物）和平面（防爆墙、爆裂的平板、甲板和带有多孔的栅栏）。

通常，在一个方案的早期（以FEED为例），仅建立一个简化的几何模型，随后在建立预期深层次的几何模型时，可以将已有的几何模型直接导入使用，这就允许对气体爆炸早期的后果进行一个合情合理的评估。上面的两个几何模型均可以通过合并AutoReaGas自带的几何模型和PDM S中的几何模型结合而产生。

完整的三维分析—模拟三维几何体中烟雾、点火位置的影响

AutoReaGas可以执行一个完整的三维分析来展示一个真实的三维场景。也就是说，它通过使用一个三维几何模型——一个三维的气体烟雾形状（及需要的成份）和可置于气体烟雾中的任一个位置的点火点来实现的。

如上所述，AutoReaGas通过使用一个完整的三维模型来展示给定的场景。该软件的一个重要特点就是可以通过使用亚格子技术来展示小对象（比数模型中的网格尺寸还小）的效应并可以得到充分地展示。这些对象可以自动转化为网格，并保证他们已包含在计算中，从而能够充分地展示由此所造成的燃烧加速现象。

下图所显示的海上平台联合体（左）的（简单）几何模型全都是用AutoReaGas软件所建立的。右图中给出最大平台里的小对象（亚格子）。

爆炸场景——包含气体烟雾（和它的合成物）和点火位置——可以在三维中显示出来，如右图所示，气体烟雾是任意形状的（也包含它的组份）且可以在任意点被点燃。

爆炸和冲击波求解器－有效捕获真实的物理现象

就气体烟雾局部和内部来说，对结果（超压、推动力等）的主要影响因素是燃面加速度，而燃面加速度又是由流场中的设备引起燃烧阵面的湍流所造成的。在三维几何模型中（包括子网格几何模型），气体爆炸求解器（基于N-S方程）展示了含有层流和湍流燃烧模型的燃烧加速效应、气体烟雾的位置和选择点火点。

气体爆炸后产生爆炸冲击波，冲击波向远场传播并进而同其它结构相互作用。重要的是，这样的远场冲击波受诸如管道类的小尺寸物体影响不大。因而AutoReaGas有一个冲击波求解器（基于欧拉算法），用来快速且准确地计算这样的冲击波传播现象，其中重要的是，气体爆炸求解器计算的结果可以自动传递到冲击波求解器，进而使冲击波传播的计算可以从一个典型的冲击波场开始。

上左图绘制出气体爆炸求解器计算得到的超压云图，而上右图显示冲击波求解器计算出的“重测”的冲击波场。下面两幅图表明了冲击波向远场的传播中包含了反射和绕临近的平台所发生的绕射。

验证－小、中、大规模的气体爆炸

AutoReaGas广泛地用于验证各种小、中、大规模的实验。

最初，中小规模的实验是用来理解气体爆炸现象基础研究的一部分，并有助于建立数值计算模型。TNO在实验和数值计算模型两方面进行了研究。例如，他们进行了小规模的FAST 实验，用来观察障碍物形状和结构对非分叉流场中燃烧传播的影响。他们也得到了欧盟基金研究计划的资助，并授权将MERGE和EMERGE合并在一起，进行中等规模的实验。下图是一个典型的测试（左），在AutoReaGas定义了由一系列直交的管道构成的几何体如中间图所示，右图给出了计算出来的超压云图。

最终，任何一个模拟软件的关键是要得到全尺寸规模的质量论证，这对爆炸模型是特别重要的。气体爆炸模型验证的工业实际测试是在联合工业计划中分两个阶段进行“上层结构的爆炸和燃烧设计”。

如下图所示，AutoReaGas可以很好的模拟这个方案。

浸水－对结果的影响

浸水是为了减小气体爆炸的反应速率，从而限制燃烧的速度和压力的增加，它的好处是：在很多情况下，为了防火，浸水系统都被安放在某个地方。海上平台上水的供应实际是不停顿的，无论对个人还是环境，水的使用都是很安全的。

不同的区域可以被定义有水分，例如，下图中表明了两个独立的浸水区域（左）和单个浸水区域（右）

就上面右图而言，在左边中心部位设置一个点火点，右图显示了测试结果和模拟结果的比较图，从图中，我们可以看到，与没有浸水的相比，有浸水的超压峰值降低了近10％左右。

时间历史输出

任何计算出的或者用户定义的变量的时间历史均可以在AutoReaGas的用户界面里绘制。为了报告和随后的使用，他们也可以作为ASCII文件输出。例如，可以输出一系列的压力－时间结果并将它转化为结构分析软件中所必需的压力载荷。

与结构分析软件的接口

气体爆炸模拟不是单独进行的，它与结构设计联系在一起。尽管它是安全案例和风险评估研究中的一个独特部分，并且是作为其它模拟需求的重要的补充。AutoReaGas的计算结果可以很容易地导入到结构分析软件如结构分析软件：AUTODYN 和ASAS。

重映射到AUTODYN-3D－爆炸与结构的耦合作用分析

通常，考虑冲击波对物体的反射和绕射效应是很重要的，包括结构变形的影响。

在AutoReaGas中，可以保存爆炸分析的当前状态并将它直接输入到AUTODYN-3D软件中进行分析。而在AUTODYN中，很重要一点就是进行更广泛的爆炸分析和耦合爆炸与结

构相互作用的效应分析。下图给出了一个爆炸载荷和立方体结构对爆炸载荷响应分析的例子例子可以说明这一点。

AutoReaGas的计算结果（左上图）可以重新映射为AUTODYN-3D的FCT（通量修正技术）网格，通过使用FCT-Lagrange耦合技术，压力波能够完整的与一个变形实体结构相互作用，最终变形物体的形状如下图。

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