唐紅飛 章志超（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

為驗(yàn)證計(jì)算流體力學(xué)模型（CFD）的有效性，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究，總體可以概括為以下兩種方法：一種是與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯Ρ?；另一種是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)），國外早在20世紀(jì)70年代就開始進(jìn)行了一系列大規(guī)模的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，投入了大量的人力、物力、財(cái)力，不僅對環(huán)境造成破壞，而且受氣象條件影響較大，不能重復(fù)實(shí)驗(yàn)；國內(nèi)外室內(nèi)較大空間的泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)也有很多，但實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、可重復(fù)性高的區(qū)域模擬實(shí)驗(yàn)較少。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 主要實(shí)驗(yàn)器材

構(gòu)建簡化模型，驗(yàn)證泄漏擴(kuò)散后果與CFD數(shù)值模擬后果的符合情況。簡化模型尺寸為1500×700×500（mm3），并用有機(jī)玻璃罩形成長方體密封擴(kuò)散區(qū)域，其中活動插板用來模擬障礙物阻擋，底板為ABS 材質(zhì)，邊框/頂蓋/活動插板為PMMA 材質(zhì)，安裝加工件為ABS材質(zhì)。組裝實(shí)驗(yàn)還需要以下部件，如表1-1所示：

表1-1 實(shí)驗(yàn)器材

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

在裝置設(shè)計(jì)過程中，考慮到隔板障礙物的尺寸，提前留好相應(yīng)尺寸的縫隙。本次實(shí)驗(yàn)采用隔板來模擬障礙物，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了四個(gè)隔板，其中兩個(gè)位于較前面的位置，兩個(gè)位于接近出風(fēng)口的位置。采用七個(gè)超低功耗的二氧化碳傳感器隨時(shí)監(jiān)控二氧化碳?xì)怏w的泄漏擴(kuò)散濃度。

為盡可能研究整個(gè)裝置中二氧化碳?xì)怏w的擴(kuò)散情況，除二號傳感器位于隔板的端面外，其他傳感器位于裝置底部且均勻地分布。為減少實(shí)驗(yàn)誤差，傳感器的布線盡可能貼著裝置底部，不至于影響二氧化碳?xì)怏w的擴(kuò)散。

將傳感器接到電腦的USB端口上，USB端口用驅(qū)動器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，待氣體數(shù)據(jù)采集軟件接口確認(rèn)接通后，即監(jiān)控二氧化碳?xì)怏w的濃度值。打開二氧化碳?xì)馄康拈y門，通過閥門調(diào)節(jié)氣體流速，并用流量計(jì)記錄此時(shí)的流速大小，數(shù)據(jù)采集軟件會自動記錄任意時(shí)刻監(jiān)測點(diǎn)位置二氧化碳?xì)怏w的濃度，待濃度值變化較小，圍繞一個(gè)數(shù)值波動，可停止本次實(shí)驗(yàn)，關(guān)閉閥門。

實(shí)驗(yàn)器材組裝裝置模型示例圖如圖1-1所示：

圖1-1 裝置模型示例圖

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

第一步：按照實(shí)驗(yàn)方案要求組裝好實(shí)驗(yàn)裝置，打開數(shù)據(jù)采集軟件并調(diào)試完畢；

第二步：在裝置模型上選擇一個(gè)7mm×7mm方形孔泄漏源，作為二氧化碳壓力入口，經(jīng)壓力閥、壓力計(jì)和流量計(jì)后在模型裝置泄漏源處泄漏，泄漏模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)如圖1-2所示：

圖1-2 泄漏模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

第三步：在試驗(yàn)開始時(shí)，先測量并記錄初始狀態(tài)下，模型中個(gè)監(jiān)測點(diǎn)二氧化碳濃度值；

第四步：打開二氧化碳?xì)馄抗?，?秒為間隔記錄各時(shí)間點(diǎn)的氣瓶壓力、二氧化碳流量、各二氧化碳濃度檢測儀的濃度值等數(shù)據(jù)；

第五步：整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得各算例的風(fēng)場風(fēng)速、各時(shí)間點(diǎn)（含初始狀態(tài)）的二氧化碳?xì)馄繅毫投趸剂髁俊⒏鞫趸紳舛葯z測儀的濃度值等數(shù)據(jù)；

第六步：將裝置敞開，待裝置內(nèi)二氧化碳消散后，改變二氧化碳泄漏的質(zhì)量流量，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，并記錄各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位置二氧化碳的濃度。

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本次實(shí)驗(yàn)采用改變二氧化碳泄漏質(zhì)量流量的方法進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)采集軟件記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集軟件界面如圖1-3。

圖1-3 二氧化碳泄漏模型數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件界面

2 實(shí)驗(yàn)誤差來源

實(shí)驗(yàn)中誤差是不可避免的，本次實(shí)驗(yàn)誤差來源主要有以下三個(gè)方面：

2.1 室內(nèi)空氣流動會引起靠近出風(fēng)口6、7 兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的濃度波動；

2.2 裝置模型中有空氣的存在，空氣中二氧化碳的濃度約為0.03%，會對各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際二氧化碳濃度值產(chǎn)生影響；

2.3 連接各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)與二氧化碳傳感器的導(dǎo)線布置會影響對二氧化碳?xì)怏w的擴(kuò)散，造成濃度監(jiān)測結(jié)果偏差。

[1]朱紅亞.多源氣體泄漏擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究.

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