CN102607771A - 一种氢气泄漏在线检测的仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氢气泄漏在线检测的仿真方法及系统。该方法包括：实时检测氢气存储、传输设备周围的氢气浓度；当检测的氢气浓度大于所设的阈值时，通过全景摄像头确认裂缝的大小形状并形成初始边界条件进行系统仿真，模拟出当前设备周围的空气成分，给出氢气分布情况和流向；结合设备的材料属性，通过计算仿真程序估算出裂缝的发展情况。该系统包括集群仿真计算机、与集群仿真计算机连接的用于检测的氢气浓度的传感器和用于检测裂缝的全景摄像头。实时、迅速地定位裂缝的位置，并通过高速仿真计算提供现场氢气分布浓度、流向等数据，适合进行远程灾情检测指导现场救援工作。本发明有较好的实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种氢气泄漏在线检测的仿真方法及系统

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，更确切的是涉及一种氢气泄漏在线检测的仿真方法及系统。

背景技术

能源危机的影响已经逐渐深入到人类生活各个层面。对于新能源的探索工作，正越来越吸引着世界各地的研究者投入其中。氢气、燃料电池风能、太阳能等被作为新世纪重要的能源发展方向，各国都投入大量的人力和物力来发展相关的新能源设备，一场以新能源为契机的“第四次科技革命”正在袭来。

氢气清洁、高效，是传统的化石燃料的重要替代能源，然而氢气应用之路却并不平坦。氢气易燃易爆、危险性高，同时又无色无味、不便观测，当泄露发生后，现场的氢气浓度不可预知，仅靠数量有限的探头很难对全局的危险程度做出评估。另外氢气的存在还会影响到储氢材料的物理性能，这也会增加了其应用的难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种能对储氢设备发生的氢气泄漏进行快速定位，并进行实时仿真，实时描绘出储氢设备周围的氢气分布状况，以指导救援工作开展的氢气泄漏在线检测的仿真方法，本发明同时提供实现该在线检测仿真方法的仿真系统。

为解决上述技术问题，本发明的第一个技术方案是提供一种氢气泄漏在线检测的仿真方法，包括：实时检测氢气存储、传输设备周围的氢气浓度；当检测的氢气浓度大于所设的阈值时，通过全景摄像头确认裂缝的大小形状并形成初始边界条件进行系统仿真，模拟出当前设备周围的空气成分，给出氢气分布情况和流向；结合设备的材料属性，通过计算仿真程序估算出裂缝的发展情况。

进一步的，上述仿真方法是依据传感器网络实时反馈的数据为初始边界条件，利用仿真计算机进行在线并行仿真分析，包括下列步骤：

建立模型：根据储氢设备外形建立IGS格式的三维模型，然后用四面体元素对该三维模型进行非结构网格划分；

区域分解：将上一步生成的三维模型进行区域分解(Domain Decomposition)，产生和并行计算与系统处理器数目相同个数的子文件，以便进行并行仿真计算之需；

计算仿真：通过传感器控制器判断氢气浓度是否超过设定的阈值，如果超过就将数据反馈给仿真计算机的守护进程；守护进程启动全景摄像头确认裂缝的大小形状并形成初始边界条件，然后并行区域分解法求解控制方程进行计算仿真；

合并分块：对并行区域分解产生的多个计算子结果进行合并，产生三维模型整体的计算结果；

可视化：采用INP数据格式来存储计算结果；通过可视化明确事故发生现场当前的氢气分布状况，并对储氢设备的裂缝发展情况进行仿真模拟。

进一步的，所述氢气浓度的检测采用Boussinesq对动量守恒方程右端的外力项进行近似，方程如下：

$f=(1-\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}})g,$

其中

f为密度正则化后的外力[m/s²]；

ρ为混合气体密度[kg/m³]；

ρ_air为空气密度[kg/m³]，其计算公式为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{P_m}{[{\mathrm{CR}}_{H_2}+(1-C)R_{\mathrm{air}}]T_m},$

其中

f为密度正则化后的外力[m/s²]；

ρ为混合气体密度[kg/m³]；

ρ_air为空气密度[kg/m³]，其计算公式为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{P_m}{[{\mathrm{CR}}_{H_2}+(1-C)R_{\mathrm{air}}]T_m},$

其中

P_m为混合气体的压力[Pa]；

T_m为温度[K]；

为氢气的气体常数[J/(kg·K)]；

R_air为空气气体常数[J/(kg·K)]。

进一步的，所述守护进程一直运行在后台，当计算机接收到来自传感器控制器的异常数据后就启动全景摄像头对裂缝可能存在的区域拍照并进行模式识别；在模式识别匹配成功的情况下，生成计算所需要的初始边界条件并进行计算，否则重新采集传感器数据并循环至识别成功为止。

进一步的，所述区域分解法是在对三维模型进行有限元素法(Finite ElementMethod)分析之前，首先对三维模型进行分块，分块个数与计算机的系统处理器(CPU)的数量相同。通过这样一个过程，使得原始三维模型被划分成多个小模型，每个CPU对应处理一个小模型，并行地用有限元素法求解各小模型对应的局部控制方程。另外一个优点在于，通过对原始三维模型进行分块，各个小模型之间的表面自由度和小模型内部的自由度可以分开处理，大大降低了需要求解的方程的维数。本发明使用的区域分解系统中，表面自由度通过共轭梯度法迭代求出，内部自由度则在前者已知的情况下通过反向带入直接求出；与普通的并行算法比，区域分解法的并行求解效率更高。

本发明的第二个技术方案是提供一种实现上述氢气泄漏在线检测的仿真方法的仿真系统，其包括集群仿真计算机、设于氢气存储、传输设备周围用于检测的氢气浓度的若干个传感器和用于检测裂缝的全景摄像头，所述传感器和全景摄像头均与集群仿真计算机连接。

进一步的，所述若干个传感器构成传感器网络，各传感器通过传感器控制器与集群仿真计算机连接。

与现有技术相比，本发明相对于现有技术的有益效果是：

本发明通过分布在氢气存储、传输设备周围的氢气浓度传感器网络，实时获取设备周围当前的氢气浓度分布情况。在传感器网络中定义敏感节点和阀值，当实时反馈的数据高过阈值时，启用紧急实时仿真系统。利用当前各传感器的反馈数据作为输入的计算模型边界和初始条件进行仿真，模拟出当前设备周围的空气成分，给出氢气浓度分布的3D效果图，以便用户清晰知道当前事故现场各区域的危险程度，避免不必要的二次事故。在泄露发生后，本方法协助用户迅速定位故障发生点。通过视频监控远程提供裂纹的形状大小等数据，结合该区域浓度传感器的反馈数据，预测出裂纹发展的速度和发生断裂、爆炸的时间，防患于未然。本发明在氢气存储、输送领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明氢气泄漏在线检测仿真方法的流程图；

图2是本发明氢气泄漏在线检测仿真系统的连接示意图；

图3是本发明传感器网络的数据流向图。

具体实施方式

本发明提供一种氢气泄漏在线检测仿真方法，通过在储氢设备周围布置传感器网络，对氢气的浓度进行实时采集；一旦有传感器的反馈数据超出设定阈值，则系统认定氢气发生了泄露；根据数值异常的传感器所在位置信息，系统粗略估算出裂缝的大致方位并启动全景照相机进行拍照，经过模式识别后得到精确的当前裂缝的位置、大小和形状等信息，结合传感器的反馈数据，形成计算仿真所需要的初始和边界条件。基于并行区域分解法的仿真求解器对模型进行高速求解并将生成的数据最终通过可视化的手段展示事故现场的状况，指导开展救援工作。针对特定的储氢设备，本发明的计算模型和前处理工作(区域分解)并不需要重复进行，传感器网络通过控制器和仿真计算机直连，一旦出现数值异常，后台的守护进程就会启动相应的分析和计算程序，并最终通过可视化展示出来。

如图1，本实施例具体包括以下步骤：

步骤一(建立模型)：可以采用商用的三维建模软件，如3D MAX、MAYA等，并通过转换软件(如Adv_Tripatch)将其变更为本系统可以接受的IGS格式；也可以直接采用Adv_CAD来直接生成本系统支持的数据格式；

步骤二(区域分解)：采用Adv_Metis将上一步生成的单个三维几何外形文件分解成为和当前CPU数目相同个数的子文件；

步骤三(启动检测)：本步骤由仿真计算机中的守护进程完成。该进程一直运行在后台，当计算机接收到来自传感器控制器的异常数据后边启动全景摄像头对裂缝可能存在的区域拍照并进行模式识别；在模式识别匹配成功的情况下，生成计算所需要的初始边界条件并进行计算，否则重新采集传感器数据并循环至识别成功为止；

步骤四(计算仿真)：本部分采用发明人自行编写的基于并行区域分解法(Parallel Domain Decomposition Method)的大型并行计算仿真软件来进行求解。

步骤五(合并分块)：本部分采用发明人自行编写的软件进行，其主要作用为逆向区域分解，从各个子文件的结果中还原计算结果；

步骤六(可视化)：本部分可以通过商业的可视化软件如AVS、Field View等，也可以使用Adv_Visual开源软件。

本发明的区域分解法是在对三维模型进行有限元素法(Finite ElementMethod)分析之前，首先对三维模型进行分块，分块个数与计算机的系统处理器(CPU)的数量相同。通过这样一个过程，使得原始三维模型被划分成多个小模型，每个CPU对应处理一个小模型，并行地用有限元素法求解各小模型对应的局部控制方程。另外一个优点在于，通过对原始三维模型进行分块，各个小模型之间的表面自由度和小模型内部的自由度可以分开处理，大大降低了需要求解的方程的维数。本发明使用的区域分解系统中，表面自由度通过共轭梯度法迭代求出，内部自由度则在前者已知的情况下通过反向带入直接求出；与普通的并行算法比，区域分解法的并行求解效率更高。

上述氢气泄漏、扩散的仿真模型的具体建立方法如下：

通过传感器和全景照相机的反馈数据建立起初始边界条件之后，仿真计算机对如下氢气泄漏、扩散的控制方程进行求解：

瞬态氢气扩散主要由动量方程：

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρu}}_i\right)}{\∂t}+u_j\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}{u}_i\right)}{\∂x_j}=\frac{\∂P}{\∂x_j}+\mathrm{\ρ}{f}_i+\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂u_i}{\∂x_j}\right),$

连续方程：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}{u}_i\right)}{\∂x_i}=0,$

氢气质量守恒方程：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρC}\right)}{\∂t}+u_j\frac{\∂\left(\mathrm{\ρC}\right)}{\∂x_j}=\frac{\∂}{\∂x_j}\left[D\frac{\∂\left(\mathrm{\ρC}\right)}{\∂x_j}\right]+C^{\′\′},$

其中

x_i(i＝1，2，3)为笛卡尔坐标；

u_i(i＝1，2，3)为速度矢量；

f_i(i＝1，2，3)为体积力；

p为混合体的压力；

C为氢气的浓度；

C″为氢气源；

D为氢气在空气中的扩散系数；

ρ为混合气体的密度；

μ混合气体的密度粘性常数。

在本实例中，各项参数见下表1

表1

图2中，本发明还提供实现上述氢气泄漏在线检测仿真方法的仿真系统，其包括集群仿真计算机、设于氢气存储、传输设备周围用于检测的氢气浓度的若干个传感器和用于裂缝的全景摄像头，所述传感器和全景摄像头均与集群仿真计算机连接；若干个传感器构成传感器网络，各传感器通过传感器控制器与集群仿真计算机连接。

本发明在仿真计算进行前，仿真计算机一直处于待命中。当传感器网络出现误差范围以外的数值，表明有氢气泄漏发生。通过当前各传感器的浓度数据，传感器网络的控制器估算出裂缝的大致位置和裂缝处的氢气浓度并将数据反馈给仿真计算机，其工作模式如图3。

图3中的箭头表示数据的流向，其中传感器控制器和仿真计算机直接连接，为双向数据通道。当仿真计算机受到传感器控制器发来的裂缝位置、氢气浓度和速度的数据时，仿真计算机中的守护进程发送指令启动全景摄像头，拍摄指定位置的当前照片并传送至仿真计算机。仿真计算机对图片进行识别，分析出裂缝的大小形状并由此创建包含仿真计算所需要的边界条件的.cnd文件；如果在全景照相机反馈的当前照片中没有发现裂缝，守护进程发送匹配失败的错误信号给传感器控制器，后者则再次采集当前网络中各传感器的数据进行分析，重复分析裂缝的相关数据并反馈给守护进程。

本发明仿真计算机的典型配置如表2：

表2

软件配置：Linux OpenSUSE 11.0x86-64

Mpich 2-2.1.4

AdvIO/Tripatch/Tetmesh/Metis/Visual

(http://adventure.sys.t.u-tokyo.ac.jp)

本发明提供的氢气泄漏在线检测的仿真系统，为面向氢气应用的新能源企业提供存储和输送等环节的安全保证。本发明适用于大型氢气存储或传输设备，当氢气泄漏发生后，本发明的在线检测系统可以实时、迅速地定位裂缝的位置，并通过高速仿真计算提供实时的事故现场氢气分布浓度、流向等数据，适合进行远程灾情检测、指导现场救援工作。

本发明氢气泄漏在线检测的仿真系统适合大型的氢气设备系统。

Claims (7)

1.一种氢气泄漏在线检测的仿真方法，其特征在于包括：实时检测氢气存储、传输设备周围的氢气浓度；当检测的氢气浓度大于所设的阈值时，通过全景摄像头确认裂缝的大小形状并形成初始边界条件进行系统仿真，模拟出当前设备周围的空气成分，给出氢气分布情况和流向；结合设备的材料属性，通过计算仿真程序估算出裂缝的发展情况。

2.根据权利要求1所述的氢气泄漏在线检测的仿真方法，其特征是依据传感器网络实时反馈的数据为初始边界条件，利用仿真计算机进行在线并行仿真分析，包括下列步骤：

建立模型：根据储氢设备外形建立IGS格式的三维模型，然后用四面体元素对该三维模型进行非结构网格划分；

区域分解：将上一步生成的三维模型进行区域分解(Domain Decomposition)，产生和并行计算与系统处理器数目相同个数的子文件；

计算仿真：通过传感器控制器判断氢气浓度是否超过设定的阈值，如果超过就将数据反馈给仿真计算机的守护进程；守护进程启动全景摄像头确认裂缝的大小形状并形成初始边界条件，然后并行区域分解法求解控制方程进行计算仿真；

合并分块：对并行区域分解产生的多个计算子结果进行合并，产生三维模型整体的计算结果；

可视化：采用INP数据格式来存储计算结果；通过可视化明确事故发生现场当前的氢气分布状况，并对储氢设备的裂缝发展情况进行仿真模拟。

3.根据权利要求1或2所述的氢气泄漏在线检测的仿真方法，其特征在于：所述氢气浓度的检测采用Boussinesq对动量守恒方程右端的外力项进行近似，方程如下：

$f=(1-\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}})g,$

其中

f为密度正则化后的外力[m/s²]；

ρ为混合气体密度[kg/m³]；

ρ_air为空气密度[kg/m³]，其计算公式为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{P_m}{[{\mathrm{CR}}_{H_2}+(1-C)R_{\mathrm{air}}]T_m},$

其中

P_m为混合气体的压力[Pa]；

T_m为温度[K]；

为氢气的气体常数[J/(kg·K)]；

R_air为空气气体常数[J/(kg·K)]。

4.根据权利要求2所述的氢气泄漏在线检测的仿真方法，其特征在于：所述守护进程一直运行在后台，当计算机接收到来自传感器控制器的异常数据后就启动全景摄像头对裂缝可能存在的区域拍照并进行模式识别；在模式识别匹配成功的情况下，生成计算所需要的初始边界条件并进行计算，否则重新采集传感器数据并循环至识别成功为止。

5.根据权利要求2所述的氢气泄漏在线检测的仿真方法，其特征在于：所述区域分解法是在对所述三维模型模型进行有限元素法(Finite Element Method)分析之前，首先对三维模型进行分块，分块个数与计算机的系统处理器的数量相同。

6.一种氢气泄漏在线检测的仿真系统，其特征在于：包括集群仿真计算机、设于氢气存储、传输设备周围用于检测的氢气浓度的若干个传感器和用于检测裂缝的全景摄像头，所述传感器和全景摄像头均与集群仿真计算机连接。

7.根据权利要求6所述的氢气泄漏在线检测的仿真系统，其特征在于：所述若干个传感器构成传感器网络，各传感器通过传感器控制器与集群仿真计算机连接。

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