Fluidyn-Ventclim反向扩散功能优化室内污染物气体监测传感器布局

在工业安全生产中，一旦发生有毒有害气体或者易燃易爆气体的泄漏、扩散事故，在特定场景下将对作业人员的人身安全构成重大威胁，因此室内（如生产车间）有毒有害气体的监测至关重要。传感器的部署位置直接影响泄漏检测的及时性与可靠性。传统的经验式布点方法往往难以兼顾复杂室内流场的影响，可能导致监测盲区或资源浪费。本文以Fluidyn-Ventclim软件的反向扩散功能为例，探讨一种基于计算流体动力学（CFD）与伴随扩散（Adjoint Diffusion）模型的传感器优化部署策略。根据先验信息的完备性，可分为两类场景：

情形1：已知潜在泄漏的确切位置（数量较少，如少于10个）。此场景下，可采用基于正向扩散模型的策略，直接模拟泄漏羽流的空间传播过程。

情形2：未知确切泄漏位置，仅能划定潜在泄漏区域/体积。此场景下，潜在源数量庞大，正向模型的计算成本过高。此时应采用反向扩散模型（即传感器伴随扩散）的策略，从大量候选位置中评估传感器的初始虚拟位置。

针对情形2，Fluidyn-Ventclim提供了一种瞬态伴随扩散模拟功能，这是该软件在环境安全与通风领域的一大核心特色，该功能在软件中通过两个步骤来实现，分别是：正向风场计算和反向扩散计算。

以下通过一个简化车间案例，介绍Fluidyn-Ventclim反向扩散功能在实际生产应用过程中的技术流程。

1. 三维模型构建

在CAE-Ventclim中建立长4 m、宽1 m、高1 m的室内计算域，并布置两个设备占据体，用于模拟室内障碍物对气流的影响。模型设置三个送风口和两个排风口，并在两个候选传感器位置分别设置示踪组分体积源。这样既能描述真实通风组织，也能为后续反向扩散分析建立统一的比较基准。

图1 三维模型构建

2. 边界条件与网格划分

在Ventclim-GUI中定义初始条件及边界条件：

表1 初始条件与边界条件设置

按照如上表所示初始条件与边界条件设置后，在软件中执行网格绘制，得到用于仿真模拟计算的网格文件，如下图所示：

图2 风场计算网格文件

3．风场求解

完成设置后，调用Ventclim 求解器进行求解，得到室内正常通风条件下的速度场。

Fluidyn-Ventclim的反向扩散功能，将通风模拟的结果作为初始条件，将追踪点设置为泄漏源，反向追踪示踪剂的传播路径，其中三维模型与步骤一风场计算中完全一致。

1. 载入基准风场与参数反转

在Ventclim-GUI中，通过File →Open 载入步骤一风场计算中的simulation.dat 文件，恢复步骤一风场计算案例中的所有设置，在反向扩散计算中，除了源项以外，初始条件与边界条件的设置与风场计算保持一致。随后，进入 Simulation Options → Solver选项卡，这是激活反向扩散的关键步骤：

（1）设置负时长：将计算时长设为负值，负号是关键指令，该指令会告知求解器激活反向/伴随扩散模式。本案例中设置为-6000 s（步骤一风场计算共计5000 s，因此在反向扩散设置时，将起始时间设置为5000 s）

（2）自动流场反转：软件会自动反转三个速度分量（u,v,w），并改变送/排风边界条件的符号，从而“冻结”流场，仅在反转的风场上进行示踪剂的扩散计算。

图4 仿真参数设置

2. 虚拟传感器源项设置

本案例中，共设置有两个虚拟传感器（Trace1、Trace2），具体设置如下表所示：

表2 虚拟传感器源项设置

按照上述参数完成设置后，生成用于求解计算的网格文件，并调用Ventclim求解器进行求解

3. 模拟结果分析与传感器优化

求解完成后，利用Ventclim-GUI的后处理模块进行可视化分析。

加载结果文件，在如图所示的截面上查看速度矢量图。可以明显观察到，原本由送风口吹出的气流已被反转，形成了指向潜在泄漏源的反向羽流。

通过绘制Trace1 和Trace2 的质量分数云图，可以直观评估不同候选传感器位置的“上游覆盖能力”。所得到的结果可以用来优化传感器布局，优化逻辑为：（1）保留：若某传感器位置的反向羽流能在规定时间内覆盖整个高危泄漏区域，且浓度高于阈值，则该位置有效。（2）舍弃/重布：若反向羽流无法覆盖盲区，或存在多个传感器覆盖同一区域（冗余），则需舍弃该位置或重新布置。

Fluidyn-Ventclim的反向扩散功能，将复杂的CFD流场计算与高效的伴随扩散算法相结合，为工业环境安全监测提供了一种科学、精准的传感器部署方案。通过“先计算风场、再反向溯源”的逻辑，工程师可以在设计阶段快速验证并优化传感器布局，确保在真实泄漏事故发生时，监测系统能够“足够快、足够准”地发出警报，为人员安全和应急响应争取宝贵时间。

目前该功能已有以下客户进行应用：