李向勇

0 引言

地下管溝是在城市地下建造一個隧道空間,將市政、電力、通訊、燃氣、給排水等各種管線集中布置在同一個地下隧道中。地下管溝是城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)代化的重要標志之一,是21世紀城市發(fā)展的方向[1]。對于我國來說,經(jīng)濟、社會以及政治各方面都處在發(fā)展和變化之中,發(fā)展地下管溝尤其顯得重要,現(xiàn)在針對這類問題正在形成研究熱潮[2-4]。

本文通過模型試驗,對可燃氣體在地下管溝內(nèi)泄漏后摩爾組分濃度分布規(guī)律進行試驗研究。

1 模型試驗

模型試驗中用安全氣體二氧化碳進行濃度測試,用模型長10 m,橫截面為15 cm×15 cm的方形,試驗時模型沿長度方向水平放置。沿著模型一個壁面的中間每隔200 mm開有一個測量小孔,共計49個孔,從一端向另一端依次編號為No.1～No.49。氣體釋放口在模型一端,氣體由底部垂直向上釋放,釋放口尺寸為1 mm×20 mm?？拷尫趴谔幍哪Ｐ蜋M截面密封,另一端的橫截面上開有一個10 mm×10 mm方形出氣孔。

試驗中,二氧化碳的濃度是由4臺GXH-3010E型便攜式紅外線分析器測量,釋放量通過流量計控制。釋放量分成4組,分別為2 L/min,3 L/min,4 L/min和 5 L/min。

試驗中考慮的參數(shù)包括:二氧化碳釋放量(用Q表示)、氣體釋放時間(用 T表示)、測量的氣體摩爾組分濃度(用 C表示)、氣體流動空間的橫截面面積(用 A表示)和測量距離即氣體摩爾組分濃度測量點到氣體釋放點的距離(用S表示)。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 摩爾組分濃度與釋放時間的關(guān)系

當釋放量分別為2 L/min,在距離釋放點2 m處測量的摩爾組分濃度C與氣體釋放時間T的關(guān)系如圖1所示。

從圖1中可以看出,當釋放量固定、測量距離固定時,濃度隨釋放時間的變化關(guān)系為:初始濃度增加速度較快,變化劇烈,隨著時間的增加,濃度變化幅度慢慢降低。

從試驗結(jié)果可知,不論釋放量多大、測量距離遠近,這種變化規(guī)律基本是一樣的,即:濃度隨時間變化表現(xiàn)出初始快后來慢的特點。因此我們可以得出這樣的結(jié)論:濃度與釋放時間的關(guān)系可以用冪指數(shù)關(guān)系描述,即:

2.2 “零點距離”分析

為了分析的需要,我們先定義兩個名詞:“零點距離”和“名義擴散速度”。

定義1:將摩爾組分濃度為零的測量點到氣體釋放點之間的距離稱為“零點距離”(zero-point distance),并用 S0表示。

定義2:將泄漏氣體的釋放量Q除以氣體流動空間的橫截面面積 A稱為“名義擴散速度”(quasi-spreading speed),并用V表示。

影響零點距離的因素有橫截面面積、釋放量和釋放時間。很顯然,釋放量越大,零點距離應(yīng)該越大;釋放時間越長,零點距離應(yīng)該越大;而橫截面面積越大,零點距離應(yīng)該越小。

圖2是零點距離S0與名義擴散速度 V之間的關(guān)系。

從圖2可以看出,零點距離與名義擴散速度之間是線性關(guān)系。圖3是零點距離隨釋放時間之間的變化關(guān)系。

同名義擴散速度一樣,零點距離隨釋放時間的變化關(guān)系也是線性的。因此,可以用多元線性回歸分析的方法,找出零點距離的計算公式如下:

其中,T為釋放時間,min;V為名義擴散速度,m/min;S0為計算的零點距離,m。

2.3 摩爾組分濃度與測量距離的關(guān)系

圖4是釋放量為5 L/min,幾種釋放時間下試驗實測的反映濃度與測量距離之間關(guān)系的數(shù)據(jù)圖形。

盡管從圖4中可以看出,實驗數(shù)據(jù)比較離散,但它們之間的規(guī)律依然是明顯的,即變化方式為:隨著測量距離的增加,濃度依次遞減,如果管道的長度足夠大,總有一處的濃度是零。

通過數(shù)據(jù)變化以后,將會發(fā)現(xiàn)不同的變化關(guān)系。變化數(shù)據(jù)的方式是這樣的:對于每一種釋放量Q的各種釋放時間T,計算零點距離 S0,用 S0除以各測量距離 S,即用 S/S0來標準化測量點位置,并且用第一個測量點的濃度除以各測量點的濃度來標準化濃度。通過這樣變化以后,近似滿足余弦關(guān)系。進一步分析試驗數(shù)據(jù)還可以看出,當零點距離不超過模型長度時,這種余弦關(guān)系與試驗數(shù)據(jù)吻合的非常好;當計算的零點距離超出模型長度時,距離釋放點越近,吻合程度越高。分析原因,我們認為這是由于模型試驗中的邊界條件引起的。因為模型試驗中兩端的邊界幾乎都是封閉的,當零點距離不超過模型長度時,可以說端部封閉的邊界對濃度變化影響較小,而當零點距離超過模型長度時,端部的封閉邊界對濃度變化影響較大。然而,實際工程的共同溝是兩端不封閉的,而且長度幾乎可以看成是無限長的,這樣就不會有邊界的影響,因此實際情況將更加符合上面的余弦規(guī)律。

通過上述分析,我們可以得出結(jié)論:濃度與測量距離之間的關(guān)系符合余弦規(guī)律,即:

2.4 摩爾組分濃度與名義擴散速度的關(guān)系

測量距離等于2 m,4 m和6 m處,對應(yīng)于各種釋放時間 T,從名義擴散速度的變化對摩爾組分濃度的影響關(guān)系可以看出,不論測量距離遠近,基本上摩爾組分濃度與名義擴散速度之間為線性關(guān)系,即:

2.5 摩爾組分濃度分布規(guī)律分析

通過上述試驗數(shù)據(jù)相互關(guān)系的分析可知,摩爾組分濃度與釋放時間、測量距離和名義擴散速度之間的規(guī)律滿足如下關(guān)系:

其中,fV(V)為線性函數(shù);fT(T)為冪指數(shù)函數(shù),并且冪指數(shù)小于1;fS(S)為余弦函數(shù)。因此,我們可以將上述關(guān)系表示成如下形式:

其中,α和β為待定系數(shù),通過試驗數(shù)據(jù)回歸分析求得。

根據(jù)回歸結(jié)果,最后我們確定摩爾組分濃度的計算公式為:

其中,S0為由式(2)計算的零點距離,m。公式中各物理量的單位是:名義擴散速度:m/min,釋放時間:min,測量距離:m,計算出的摩爾組分濃度為百分比數(shù)值。

3 數(shù)據(jù)比較

表1是計算濃度與部分實測試驗數(shù)據(jù)的對比。

表1 計算濃度與試驗數(shù)據(jù)對比

從表1中可以看出,計算公式的計算精度能夠滿足工程要求。

4 結(jié)語

通過對模型試驗數(shù)據(jù)的摩爾組分濃度與釋放量、釋放時間和測量距離等因素的分析,建立了濃度分布的計算公式,根據(jù)計算結(jié)果與試驗實測數(shù)據(jù)的比較可知,計算公式的精度能夠符合工程的需要。

[1] 錢七虎,陳曉強.利用地下空間建設(shè)花園城市[J].地下空間,2003,23(3):302-305.

[2] 方自虎,藺 宏,黃 鵠,等.共同溝內(nèi)燃氣泄漏擴散規(guī)律的數(shù)值仿真[J].深圳大學(xué)學(xué)報(理工版),2005,22(2):177-180.

[3] 章友俊,彭棟林.共同溝開發(fā)與建設(shè)的思考[J].市政技術(shù),2004,22(4):214-215.

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