Page 93 - 《爆炸与冲击》2026年第5期

第 46 卷 冯 彬，等： 基于图神经网络的可燃气体泄漏扩散预测方法 第 5 期

置为流出（nozzle）。除图 3 洞口（hole）开启以 10 MP1, simulation
外，所有门窗洞口处均设置了开启压力阈值为无 MP2, simulation
8 MP3, simulation
穷大的泄压板，以模拟实际试验中的密闭条件。 MP1, test
如图 4 所示，模拟得到的 MP1 和 MP2 点的 6 MP2, test
浓度时程曲线与试验结果吻合较好，但 MP3 点 Concentration/% 4 MP3, test
的模拟结果误差稍大，这可能是由于试验过程中
的湍流加速了甲烷与空气的混合 [40] 。模拟得到 2
的 3 个测点的最大浓度分别为 8.47%、7.48%、
3.49%，而试验值分别为 9.07%、8.27%、3.85%， 0 600 1 200 1 800 2 400 3 000 3 600
Time/s
相对误差均在 10% 以内。该结果证实了所建立
图 4 数值模拟结果与试验结果的对比
的数值模型在表征甲烷-空气混合过程中的可靠
Fig. 4 Comparison between numerical simulation
性，为后续机器学习模型的训练提供了高保真数
results and test results
据基础。
2.2 数据生成与处理
在设计数值模拟工况时，变化 3 个关键参数：泄漏速率 v 、泄漏高度 h 及泄漏时长 D 。为了保证所
L
L L
设计工况对现实问题的参考意义，泄漏速率需根据居民住宅的实际情况确定。根据化工企业定量风险
评价导则（AQ/T 3046—2013） [41] ，满足以下关系时，气体流动属于亚声速流动：
γ
Å ã
2 γ−1
＞ (10)
p 0
p γ +1
γ 为绝热指数，气体为甲烷时取 1.29。
式中： p 0 为环境压力； p 为容器内介质压力；
气体泄漏质量速率计算式如下：
Ã
γ+1
Å ã
Mγ 2 γ−1
Q = YC d Ap (11)
RT γ +1
Q 为气体泄漏质量流率，单位 C d 为气体泄漏系数，与泄漏孔形状有关，泄漏孔形状为圆形时
式中： kg/s；
2
取 1.00，为三角形时取 0.95，为长方形时取 0.90； A 为泄漏孔面积，单位 m ； M 为泄漏气体的分子量； R 为
理想气体常数，单位 J/(mol·K)； T 为气体温度，单位 K； Y 为流出系数，按下式计算：
  1/2   1/2
Å ã 1/γ Å ã γ−1 Å ãÅ ã γ+1
γ 2 γ +1 γ−1
p 0 p 0
Y =  1−    (12)
p p γ −1 2
根据家用燃气灶具国家标准（GB 16410—2020） [42] ，家用天然气的供应压力为 2 kPa，因此将其作为
容器内介质压力 p。居民住宅内燃气泄漏可根据泄漏位置分为 2 类：燃气支管泄漏、燃气软管泄漏 [43] 。
燃气支管的内径一般为 15 mm [44] ，而燃气软管的内径一般为 9 mm 或 13 mm [45] 。当泄漏孔直径分别设为
9、13、15 mm 时，可计算出对应的最大泄漏速率分别为 0.003 3、0.006 8、0.009 1 kg/s。因此，泄漏速率的
上限值取为 0.010 0 kg/s。
开展了不同泄漏速率、不同泄漏高度及不同泄漏时长工况下的数值模拟，建立了训练集与泛化集。
如表 1 所示，训练集包含 100 个工况，泄漏速率的取值区间为 0.000 5～0.010 0 kg/s；所建立的住宅几何模
型的净高为 2.7 m，因此，将泄漏高度定为 0.1～2.5 m，间隔 0.6 m；为了提供足够的时间窗口以支持应急
响应，将泄漏时长定为 1 800 s。泛化集包含 15 个工况，泄漏速率的取值区间为 0.010 0～0.012 0 kg/s，外
推比例为 20%；由于居民住宅层高一般为 3 m，故泄漏高度采用内推方式，定为 1.0、1.6、2.2 m；为了应对
实际场景中泄漏持续时间较长的情况，泄漏时长定为 1 800、2 700 s，外推比例为 50%。
值得注意的是，密闭空间中燃气泄漏后的浓度分布存在明显的分层效应，而同一高度处的浓度比较

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