实验项目名称：《蒸气云爆炸虚拟仿真实验》
负责人：何明礼
课程团队：王成、元宙昊、赵旭德、刘娟
1 实验面向对象
安全工程、应急技术与管理、消防工程、化工安全、化学工艺与工程等专业大二、大三、大四学生，企业安全培训人员。
2 课程介绍
蒸气云爆炸虚拟仿真实验与专业核心课程安全工程认识实习、防火防爆、安全评价等密切相关，由于蒸气云爆炸的破坏性大、相关实验几乎不能开展，即便开设相关实验，也不能系统阐明实验原理，清晰呈现实验现象。然而，相关实验对训练学生危险源辨识、分级能力，加强对蒸气云形成、爆炸、后果认知，预防相关事故发生有重要作用。另外，蒸气云爆炸虚拟仿真实验还能向相关专业、企业、社会大众开放，助力全员安全教育。因此，课程建设具有必要性和紧迫性。
实验教学将理论与实验环境相结合，通过循序渐进的引导让学生具备对化工厂开展危险化学品辨识、重大危险源辨识与分级的能力，通过理论讲解与仿真动画相结合的方式让学生直观感受液化烃泄漏、蒸发、扩散、爆炸等全过程，进而结合理论知识对液化烃泄漏量、蒸发量、扩散范围、爆炸后果等进行预测。因此，实验教学设计充分考虑学生认知规律，先易后难、循序渐进，合理可行。
实验系统基于化工厂真实布局建模，通过特写镜头呈现实验现象，通过人机交互答题将理论知识融入实验之中。系统采用教考分离设计，教学过程采用练习模式，学生可以全方位体验不同外界条件对实验结果的影响，考核模式中删除感性认知和相似操作内容，练习和考核过程中系统自动记录学生实验成绩，实验结束后可以导出实验报告查看人机交互结果和得分。因此，实验系统在现象呈现、人机交互、结果展示中具有先进性。
蒸气云爆炸虚拟仿真实验简介视频
3 实验教学目标：
知识目标：
（1）能说出危险化学品辨识、重大危险源辨识与分级的依据；
（2）能准确描述发生蒸气云爆炸应具备的条件，发生蒸气云爆炸的过程、后果，以及影响因素。
能力目标：
（1）能辨识危化品、危险化学品重大危险源，并能对重大危险源进行分级；
（2）能根据已知条件运用气液两相流泄漏模型计算液化烃泄漏量；
（3）能开展蒸发量的计算，判断液化烃泄漏后是否形成液池；
（4）能基于平板-高斯耦合模型预测蒸气云爆炸区域；
（5）基于普适火球模型计算蒸气云爆炸的火球半径及火球持续时间，预测热伤害半径。
4 实验课时：4学时
5 实验原理
蒸气云爆炸是以“预混云”形式扩散的蒸气云在某一有限空间受火源触发而引发的爆炸。液化烃发生泄漏后如果没有瞬时全部气化，泄漏的液体将在储罐周围形成液池，在闪蒸蒸发、热量蒸发和质量蒸发等共同作用下部分液化烃气化并夹带部分液态物质在气流作用下扩散，扩散过程中液化烃蒸气进入有限空间并与气体形成预混蒸气云，在点火源触发下，蒸气云发生爆炸。发生蒸气云爆炸时，火焰前沿速度可达50～100m/s，产生强烈的冲击波，对蒸气云覆盖范围内的人员、建筑物及设备产生伤害，甚至引发周边储罐或设备的损坏和泄漏，进而导致更大规模的火灾爆炸事故。
发生蒸气云爆炸应至少具备以下5个基本条件： ①一定量的液化烃泄漏，泄漏物质气化扩散；②延缓了点火的过程；③周围环境如树木、房屋及其它建筑物等形成一定限制性空间； ④充分预混的蒸气云浓度在爆炸极限范围内；⑤存在引发蒸气云爆炸的点火源。
知识点：共9个
1.液化烃蒸发方式；
2.蒸气云爆炸条件；
3.危险化学品辨识；
4.重大危险源辨识；
5.重大危险源分级；
6.液化石油气泄漏场景及泄漏量计算；
7.液化石油气蒸发量计算；
8.蒸气云扩散影响因素及影响范围计算；
9.蒸气云爆炸后果影响因素及影响范围计算。
6 实验教学过程与实验方法
（1）实验教学过程
本实验采用课外课内相结合的方式进行教学，开展自主学习、合作式学习、沉浸式与互动式学习。课外分课前和课后两个部分，课前学生通过教材、慕课、课件等资源自主学习相关理论，通过简介视频、教学引导视频熟悉实验系统，课后由专业教师负责考核管理、在线答疑。课内主要由学生根据教师要求进行在线学习，通过网络平台进行实验相关操作练习，观看实验仿真动画，记录学习遇到的问题，询问实验指导教师。学生完成一次实验后可以导出实验报告，实验报告上会显示实验完成情况，并给出各分项得分及总分。学生已经掌握实验操作方法及所有知识点后，可进入考核模式，完成考核后可以导出实验报告，实验报告上会显示实验完成情况，并给出各分项得分及总分。
（2）实验方法
本实验注重以学生为中心，将理论与实践融合，采用场景展示与交互操作交叉融合的方法，充分利用互动设计、场景仿真等多样化方法，使学生以安全技术人员的视角，在沉浸环境中认识化工厂，学习掌握危险化学品辨识、危险化学品重大危险源辨识与分级、蒸气云爆炸定量计算等相关知识，提升解决复杂问题的能力。具体方法如下：
1)人机交互方法。实验过程中创设多个人机交互场景，提高学生在仿真实验中的参与度，将大量相关理论知识融入实验过程之中，体现出实验的高阶性。
2)自由探索方法。本实验具有开放性、探究性、科学性。在实验过程中，学生可探索泄漏场景、外界风向、蒸气聚集等对仿真结果产生的影响，深刻认识影响蒸气云爆炸后果的影响因素。
3)场景仿真方法。根据蒸气云爆炸实验设计，通过场景仿真技术，对化工厂全景、液化石油气泄漏、蒸发、扩散、爆炸等场景场景进行仿真，该内容是实验的核心，学生在沉浸环境中探究化工厂的危险性，直观感受蒸气云爆炸过程。
7 交互性步骤说明
步骤1：学生进入练习模式，首先了解实验目的、实验原理。学习完成后完成2道测试题。
步骤2：学生进入蒸气云爆炸仿真认知模块，在化工厂认知中，通过鼠标进行整体场景观察和场景漫游，了解化工厂的整体布局，熟悉储存系统和生产系统的相关设备、设施，工艺，以及涉及到的危险化学品及其危险性。学习完成后完成4道测试题。
步骤3：通过观看泄漏动画，对液化烃泄漏过程进行认知与学习。学习完成后完成2道测试题。
步骤4：通过观看蒸气云形成动画，对泄漏液化烃的气化、扩散、形成爆炸性蒸气云的过程进行认知与学习。学习完成后完成2道测试题。
步骤5：通过观看蒸气云爆炸动画，对蒸汽云爆炸过程及危害后果进行认知与学习。学习完成后完成2道测试题。
步骤6：学生进入蒸气云爆炸实验操作模块，在重大危险源辨识与分级中，学生依据《危险化学品目录》、《危险化学品重大危险源辨识》（GB18218）对化工厂内的所有罐区进行危险化学品重大危险源辨识。
步骤7：对辨识出的重大危险源进行分级。
步骤8：在泄漏操作中基于气液两相流计算模型计算小孔泄漏参数。
步骤9：选取中孔泄漏场景，对比中孔泄漏场景泄漏参数的差别。
步骤10：选取大孔泄漏场景，对比大孔泄漏场景泄漏参数的差别。
步骤11：选取全破裂泄漏场景，对比全破裂泄漏场景泄漏参数的差别。
步骤12：计算不同泄漏场景中泄漏介质的蒸发量，判断是否形成液池。
步骤13：基于平板-高斯模型计算外界环境风吹向锅炉房条件下的蒸气云扩散区域。
步骤14：选取其他风向条件，对比风向改变对扩散区域的影响。
步骤15：基于普适火球模型及人体伤害模型计算少量气体聚集条件下的伤害半径。
步骤16：选取其他气体聚集条件，对比可燃气体聚集量对爆炸后果的影响、认识不同点火源。
步骤17：学生进入实验习题模块，系统将从题库随机抽取5道判断、5道选择题让学生作答，检测对实验内容的掌握情况。
步骤18：学生进入实验报告模块可以查看操作得分。
步骤19：学生退出练习模式，进入考核模式完成考核。
蒸气云爆炸虚拟仿真实验引导视频
8 实验网址
http://vce.hbpu.edu.cn:9002//
