氢气管道喷射火热辐射计算方法及系统与流程

本发明涉及喷射火热辐射预测，具体涉及一种氢气管道喷射火热辐射计算方法及系统。

背景技术：

1、氢气管道在服役过程中,由于第三方破坏、腐蚀、人为因素、施工质量问题等可能会引起管道出现断裂现象,从而造成管道的泄漏并造成严重后果。氢气气体从管道中泄漏后将形成射流并扩散,若在泄漏口处被点燃将形成喷射火焰。喷射火是燃气管道火灾事故后果中出现概率最高也最具代表性的火灾类型,主要以热辐射的形式影响周围环境,使周围物体燃烧变形以及造成人员伤亡。

2、氢气喷射火在火焰辐射分数、火焰几何形态、随喷射方向变化的倾斜与偏移、以及热辐射衰减规律等方面与其他介质不同，特别是在多孔径与多喷射方向组合工况下，火焰几何与辐射分布呈现更强的非对称性与工况敏感性。另一方面，工程应用场景要求模型既要准，又要快。单纯依赖cfd（计算流体动力学）数值模拟虽可获得三维辐射分布，但成本高、建模复杂，难以在现场应急或工程快速评估中使用。

3、为此，我们发明了一种氢气管道喷射火热辐射计算方法及系统，解决了以上技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种氢气管道喷射火热辐射计算方法及系统，以全尺寸氢气管道喷射火试验数据为核心数据源进行热辐射模型修正，建立针对氢气管道多角度喷射火的修正方法与快速模型，从而实现可快速分析、可解释、可复现、可更新的热辐射危害预测能力。

2、为此，本发明提供如下技术方案：

3、一种氢气管道喷射火热辐射计算方法，所述方法包括：

4、步骤1，采集工况参数和基础数据，并采集氢气管道喷射火试验仿真时的热辐射数据；

5、步骤2，进行数据校核与标准化处理，得到热辐射数据的标准数据集；

6、步骤3，对氢气管道多角度喷射火进行数值模拟和计算分析，建立试验工况之外的补充工况，得到数值模拟补充数据集；

7、步骤4，选取基准模型作为先验模型，计算氢气管道喷射火的热辐射通量和危害距离；

8、步骤5，构建修正系数，将修正系数引入基准模型，对氢气管道喷射火的热辐射通量和危害距离进行修正计算；

9、步骤6，当新增试验数据或新工况数据时，更新修正系数，完成闭环迭代。

10、可选地，在步骤1，在全尺寸氢气管道喷射火试验平台上，针对多孔径与多喷射方向组合工况，在稳定储压条件下获取喷射火热辐射随距离变化数据即热辐射数据。

11、可选地，在步骤2，对传感器量程、采样率和异常值进行数据校核，形成可用于模型修正的热辐射数据的标准数据集。

12、可选地，在步骤3，采用数值模拟仿真软件对氢气管道多角度喷射火进行计算分析，建立试验工况之外的补充工况，针对不同环境条件与管道运行条件，计算火焰形态与热辐射影响范围，形成所述数值模拟补充数据集。

13、可选地，在步骤4，以点源模型作为基准模型，根据氢气泄漏工况参数计算未修正的氢气管道喷射火的热辐射通量，测点处的点源模型的氢气管道喷射火热辐射通量计算公式为：

14、；

15、式中，为第个测点处由点源模型计算得到的氢气管道喷射火的热辐射通量；为大气透射率；为点源模型采用的基准辐射分数；为氢气泄漏质量流量；为氢气燃烧热；为测点至等效点源的距离；

16、若测点坐标为，等效点源坐标为，则：

17、。

18、可选地，在步骤5，首先，将测点处的氢气管道喷射火的热辐射通量的计算值与同一工况、同一测点距离下的试验实测值进行对比，得到基准模型在该工况下的误差系数；其次，根据多个试验工况下得到的误差系数，利用热辐射数据的标准数据集及所述数值模拟补充数据集建立修正系数，修正系数包括：辐射分数、环境风速修正因子和大气透射率修正因子；然后，建立与环境风速、测点距离、大气透射率及喷射方向相关的修正系数；最终，将修正系数引入基准模型，完成对氢气管道喷射火的热辐射通量和危害距离的修正计算。

19、可选地，在步骤5，在全尺寸氢气管道喷射火试验中，通过热辐射传感器获得同一测点处的实测热辐射通量，记为；对于同一工况、同一距离或同一测点位置，将点源模型计算值与实测值进行对比，定义基准模型在该工况下的误差系数为：

20、；

21、式中，为相对误差系数；当时，表示点源模型低估了实际热辐射；当时，表示点源模型高估了实际热辐射；

22、为了修正点源模型，进一步定义修正系数：

23、；

24、为了减少单个测点波动对修正结果的影响，对同一工况、同一测点距离的多个测量结果进行统计；设某一工况下同一测点距离处共有个有效测点，则该距离下的平均修正系数为：

25、；

26、若不同测点的测量质量不同，可引入权重，得到加权平均修正系数：

27、；

28、其中，根据传感器量程、信号稳定性、测点是否处于火焰遮挡区域、采样是否完整确定；对不同试验工况重复上述过程，即可形成工况参数、测点距离、误差系数的修正系数数据库；

29、修正系数数据库中的每条记录表示为：

30、；

31、式中，为管道压力；为泄漏孔径；为喷射方向角；为环境风速；为测点距离；为大气透射率；为试验实测的热辐射通量；为由点源模型计算得到的氢气管道喷射火的热辐射通量；为该数据点对应的修正系数；

32、在获得多个工况下的修正系数后，进一步建立修正系数与风速、距离、大气透射率之间的函数关系；考虑到点源模型的误差主要来源于火焰非均匀辐射、风致偏移、远近场衰减差异以及大气透射率选取偏差，将修正系数采用函数f（）表示为：

33、；

34、其中，为环境风速，为测点距离，为大气透射率，为射流中心轴线与竖直向上方向的夹角；

35、采用指数形式构建修正系数：

36、；

37、式中，为待拟合参数；为参考风速；为参考距离；通过修正系数，点源模型的修正结果可表示为：

38、；

39、其中，为点源模型计算得到的热辐射通量结果；

40、在输入工况参数后，先利用点源模型计算氢气管道喷射火的热辐射通量，再根据风速、距离、大气透射率和喷射方向计算修正系数，最终得到修正后的热辐射通量。

41、可选地，步骤6包括：

42、步骤61，读取新增工况数据和新增试验数据，包括压力、孔径、喷射方向、风速、测点距离、大气透射率和试验实测热辐射值；

43、步骤62，利用点源模型计算新增试验数据对应的未修正的热辐射通量：

44、；

45、式中，为新增试验数据对应的未修正的热辐射通量计算值；为大气透射率；为点源模型采用的基准辐射分数；为新增试验数据的氢气泄漏质量流量；为氢气燃烧热；为新增数据点至等效点源的距离；

46、步骤63，计算新增试验数据的修正系数：

47、；

48、式中，为新增试验数据处试验实测的热辐射通量；

49、步骤64，将写入修正系数数据库，并与同类工况数据进行合并；同类工况按压力区间、孔径、喷射方向和距离区间进行划分；

50、步骤65，若新增试验数据属于已有工况区间，则更新该区间的平均修正系数：

51、；

52、其中，为该工况区间原有有效数据数量，为更新前平均修正系数；

53、若新增数据带有可信度权重，则采用加权更新：

54、；

55、其中，为该工况区间已有数据权重之和；

56、步骤66，根据更新后的修正系数数据库重新拟合，采用函数（）得到新的修正系数：

57、；

58、步骤67，将更新前后的模型误差进行对比；若更新后误差降低，则保存新的修正参数；若更新后误差未降低或出现异常增大，则保留原修正系数，并将新增数据标记为待复核数据；

59、模型误差可采用均方根误差表示：

60、；

61、式中， qexp,i为试验实测的第i个热辐射通量数据；qcal,i为由修正模型计算的第i个热辐射通量数据；

62、当满足：

63、；

64、即更新后模型误差小于更新前模型误差，则判定更新有效，并将新修正系数写入点源模型进行修正；否则不替换原模型。

65、一种氢气管道喷射火热辐射计算系统，所述系统包括：

66、数据采集单元，采集工况参数和基础数据，并采集氢气管道喷射火试验仿真时的热辐射数据；

67、数据处理单元，进行数据校核与标准化处理；

68、模拟补充数据单元，对氢气管道多角度喷射火进行数值模拟和计算分析，建立试验工况之外的补充工况，得到数值模拟补充数据集；

69、基准模型计算单元，选取基准模型作为先验模型，计算氢气管道喷射火的热辐射通量和危害距离；

70、修正计算单元，构建修正系数，将修正系数引入基准模型，对氢气管道喷射火的热辐射通量和危害距离进行修正计算；

71、闭环迭代单元，当新增试验数据或新工况数据时，更新修正系数，完成闭环迭代。

72、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行所述的氢气管道喷射火热辐射计算方法的步骤。

73、本发明提供的氢气管道喷射火热辐射计算方法及系统，属于氢气管道失效后果评估与火灾热辐射预测技术领域，具体涉及高压氢气管道泄漏点燃形成喷射火时的热辐射通量计算、危害范围预测以及基于试验数据的热辐射模型修正与参数反演方法。本发明面向全尺寸高压氢气喷射火试验平台，利用热辐射计、红外测温与高速摄像等多源数据采集的实测数据集，对现有固体火焰模型/经验模型在氢气多角度喷射情景下的系统性偏差进行分解与修正，形成可用于工程应急与安全设计的快速计算模型与软件化系统。采用本发明的方法及系统，在进行氢气管道多角度喷射火试验或发生氢气管道喷射火事故时，可实现氢气管道喷射火热辐射危害范围的合理预测。与现有技术相比，本发明具有以下技术优点：

74、（1）面向“多角度喷射火”的热辐射危害计算框架，针对氢气管道喷射火随泄漏方向变化导致喷射角度与偏移显著变化的问题，构建面向多角度工况的热辐射计算与危害范围预测方法，实现对不同危害程度影响范围的预警。

75、（2）“试验-仿真-理论”三源融合并通过matlab拟合的快速计算模型，将大尺度喷射火试验结果、数值模拟结果与典型理论模型共同用于计算，并通过matlab拟合获得适用于多工况的快速公式/模型，从而达到在事故或试验场景中快速输出热辐射影响范围的目的。此外，当新增试验数据或新工况数据时，模型可根据新增数据自动更新修正系数，保证模型可持续迭代。