張瑞達(dá)， 許淑惠， 袁欣然， 郝卿儒， 徐榮吉

(北京建筑大學(xué) 北京未來城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心， 建筑用能國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 北京 100044)

0 引 言

2014年起，國家開始大規(guī)模地投資建設(shè)地下綜合管廊，2015年我國建成的綜合管廊長度約為1 000 km，投資約880億元[1]。綜合管廊是指建于城市道路地下，用于容納多種市政管線的公用設(shè)施[2]。綜合管廊能夠保障城市基礎(chǔ)設(shè)施的安全，改善城市環(huán)境，眾多的優(yōu)勢(shì)使之成為市政公用管線鋪設(shè)的主流趨勢(shì)和必要發(fā)展方向[3-4]。燃?xì)夤艿涝诰C合管廊中需要單獨(dú)設(shè)艙[5]，而燃?xì)夤艿缹儆诟呶９芫€，在管廊的密閉空間內(nèi)，若發(fā)生泄漏會(huì)有爆炸危險(xiǎn)，引起的后果非常嚴(yán)重[6]，所以需要研究燃?xì)夤艿涝谌細(xì)馀搩?nèi)發(fā)生泄漏時(shí)的擴(kuò)散規(guī)律，以應(yīng)對(duì)泄漏情況的發(fā)生，保障綜合管廊的安全。

為了預(yù)防綜合管廊事故的發(fā)生，李文婷結(jié)合上海市某綜合管廊項(xiàng)目，運(yùn)用 FDS 分析軟件，對(duì)地下綜合管廊電纜火災(zāi)煙氣蔓延過程和熱量傳遞過程進(jìn)行模擬分析[7]；趙永昌等在隧道模型基礎(chǔ)上，搭建了 1∶3∶6 的小尺寸地下綜合管廊實(shí)體模型，對(duì)電力艙室火災(zāi)溫度場(chǎng)進(jìn)行研究[8]；方自虎等采用CO2代替燃?xì)庠诠芾壤镆粋?cè)進(jìn)行泄漏的方式建立管艙泄漏模型，用于燃?xì)庑孤U(kuò)散模型實(shí)驗(yàn)[9-11]；胡敏華以深圳的大梅沙-鹽田坳燃?xì)夤餐瑴蠟槔?，設(shè)計(jì)了包含管溝模型、氣體釋放裝置和報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，模擬天然氣在靜風(fēng)狀態(tài)下的泄漏，可用于綜合管廊報(bào)警的研究[12-13]。

通過閱讀大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)綜合管廊電力艙的火災(zāi)情況進(jìn)行研究[14]，并且為研究燃?xì)馀撊細(xì)庑孤┣闆r所設(shè)計(jì)的燃?xì)馀撔孤?shí)驗(yàn)臺(tái)較簡(jiǎn)單，沒有考慮管廊的通風(fēng)狀態(tài)，只能進(jìn)行靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。本文設(shè)計(jì)了一種能充分保證實(shí)驗(yàn)安全性和可靠性的綜合管廊燃?xì)庑孤┠M實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)能對(duì)綜合管廊內(nèi)不同情況下的燃?xì)庑孤┣闆r進(jìn)行模擬，通過分析實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，可知道燃?xì)庑孤┖蠊芾葍?nèi)不同位置的燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)，用于對(duì)管廊燃?xì)馀撊細(xì)庑孤┖髷U(kuò)散規(guī)律的研究。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)方案設(shè)計(jì)

對(duì)北京某實(shí)際項(xiàng)目中綜合管廊燃?xì)馀撨M(jìn)行分析，該燃?xì)馀摂嗝娉叽鐬?.7 m×3.4 m，其中燃?xì)夤艿啦贾迷诠芘撚覀?cè)，直徑300 mm，由支座支撐，支座高500 mm，艙內(nèi)留有1 m寬的檢修通道以及預(yù)留燃?xì)夤芫€，如圖1(a)所示。燃?xì)夤芘撘?00 m長度劃為一個(gè)防火分區(qū)，并采用防火門分隔開，在燃?xì)夤芘搩?nèi)，當(dāng)燃?xì)庑孤┖?，防火門關(guān)閉，可控制燃?xì)鈹U(kuò)散區(qū)域在一個(gè)防火區(qū)間內(nèi)，然后通過排風(fēng)井將燃?xì)馀懦龉芘?，所以將模擬的燃?xì)夤芘撻L度定為200 m。為對(duì)燃?xì)馀搩?nèi)發(fā)生燃?xì)庑孤┖蟮哪M結(jié)果形象描述，需定義管艙內(nèi)觀測(cè)面。因此，以A—A斷面為觀測(cè)面，如圖1(b)所示，觀察燃?xì)獾臄U(kuò)散情況。

按照實(shí)際項(xiàng)目中的燃?xì)馀撛O(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)流體力學(xué)中的相似理論以及搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)的場(chǎng)地面積，選擇按照比例1∶20對(duì)實(shí)際燃?xì)馀撛O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸，搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。同樣地，按比例縮放A—A觀測(cè)面，將其作為實(shí)驗(yàn)管廊模型的觀測(cè)面，用于在實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察燃?xì)獾臄U(kuò)散情況。實(shí)驗(yàn)臺(tái)燃?xì)馀摂嗝娉叽鐬?5 mm×170 mm，長度為10 m，由于燃?xì)夤艿荔w積占整個(gè)管艙空間的1.22%，因此不再敷設(shè)燃?xì)夤艿?，并采用針頭泄漏的方式代替燃?xì)夤艿榔茡p泄漏。由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)長度為10 m，擴(kuò)散區(qū)域較短，因此將泄漏口設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)中靠近進(jìn)風(fēng)口的一側(cè)。

圖1 北京某項(xiàng)目綜合管廊燃?xì)馀?(mm)

由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建的場(chǎng)地在室內(nèi)，考慮到實(shí)驗(yàn)的安全性，采用其他氣體代替燃?xì)庠诳諝庵行孤┑膶?shí)驗(yàn)方法。通過分析燃?xì)獾奈镄詶l件、相對(duì)密度以及其他參數(shù)，選擇無毒且常見的氣體進(jìn)行替代。發(fā)現(xiàn)可用N2氣體代替燃?xì)?，CO2氣體代替空氣。管廊內(nèi)燃?xì)夤艿垒斔偷娜細(xì)鉃樘烊粴猓烊粴獾闹饕煞质荂H4[15]，燃?xì)馀c空氣的密度比為0.63～0.68，而N2與CO2在常溫常壓下的密度比為0.642，兩者密度比較接近，因此認(rèn)為采用N2代替燃?xì)?，CO2代替空氣的模擬方法是可以的。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示，實(shí)驗(yàn)氣體為純度99.999%的N2和CO2，儲(chǔ)氣氣瓶出口壓力可調(diào)。首先CO2氣體通過進(jìn)風(fēng)口流入整個(gè)模型管廊中，當(dāng)管廊模型充滿CO2時(shí)，開啟N2氣瓶以及電磁閥，使N2在充滿CO2的管廊模型中泄漏，使用氣體采樣系統(tǒng)對(duì)管廊觀測(cè)面10個(gè)測(cè)點(diǎn)的混合氣體進(jìn)行同時(shí)采集，然后使用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)將采集后的混合氣體進(jìn)行成分和含量的分析。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

2.1 綜合管廊模型

綜合管廊模型包括管廊本體、進(jìn)風(fēng)井、排風(fēng)井、實(shí)驗(yàn)臺(tái)支架等。管廊本體材料為有機(jī)玻璃材質(zhì)，采用分段式設(shè)計(jì)，便于安裝和連接。管廊本體長度為10 m，分為8段，每段長度為1.25 m，用法蘭和固定螺母連接，同時(shí)在連接處設(shè)置墊片，以保持管廊本體的密閉性。為了定量分析管廊內(nèi)不同位置、同一時(shí)刻的氣體含量，在每段管段側(cè)面設(shè)有多個(gè)采樣點(diǎn)，配合氣體采樣系統(tǒng)使用。泄漏口所處的分管段在側(cè)面上部和中間位置設(shè)均有采樣孔，其他管段只在中間位置設(shè)有采樣孔。每個(gè)采樣孔都設(shè)有一個(gè)圓形墊片，以此密封和固定采樣裝置的針頭。具體位置如圖3所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)原理圖 (mm)

(a) 泄漏口所處分管段

(b) 管廊管段采樣點(diǎn)位置

搭建綜合管廊實(shí)驗(yàn)臺(tái)時(shí)用進(jìn)風(fēng)井和排風(fēng)井代替實(shí)際管廊中的進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)井和排風(fēng)井?dāng)嗝娉叽鐬?.07 m×0.07 m。在整座實(shí)驗(yàn)臺(tái)的兩側(cè)分別設(shè)有擋板，模擬燃?xì)夤芘摰姆忾]防火區(qū)。管廊管段進(jìn)風(fēng)口側(cè)連接CO2氣瓶，開啟CO2氣瓶的閥門后，高純度CO2氣體從CO2氣瓶中流出，通過進(jìn)氣軟管進(jìn)入進(jìn)氣井，再通過穩(wěn)定氣流用的均流板后，流入管廊內(nèi)部。在第3段管廊管段，距進(jìn)風(fēng)口3.125 m且距管廊側(cè)面27.5 mm處的底部鉆有小孔，設(shè)為泄漏孔，泄漏點(diǎn)針頭插入到泄漏孔內(nèi)。泄漏口處針頭卸取方便，可換不同直徑的針頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，針頭直徑最小為0.16 mm，最大達(dá)到1.26 mm，泄漏點(diǎn)針頭既可以采用徑向開孔，也可采用側(cè)面開孔，針頭可繞直徑實(shí)現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動(dòng)，從而模擬不同的泄漏口大小和泄漏口方位的泄漏過程。高純度N2從N2氣瓶中流出，可通過氣瓶閥門調(diào)節(jié)泄漏點(diǎn)N2出口壓力，N2通過進(jìn)氣軟管和泄漏點(diǎn)針頭，由管廊底面泄漏孔進(jìn)入管廊內(nèi)。在LabVIEW軟件上控制電磁閥的開關(guān)，可以調(diào)節(jié)N2的泄漏過程。實(shí)驗(yàn)后，管廊中的混合氣體由排氣井經(jīng)排氣軟管排出。通過設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)工況，可用于研究燃?xì)庑孤┖髿怏w擴(kuò)散影響因素，設(shè)置工況見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置表

為方便觀察和操作，實(shí)驗(yàn)臺(tái)支架材質(zhì)采用標(biāo)準(zhǔn)鋁合金型材，通過標(biāo)準(zhǔn)的直角連接件和螺釘固定，高度可調(diào)，將支架高度調(diào)整到方便操作的高度即可，實(shí)驗(yàn)臺(tái)支架上設(shè)有縱梁以方便安裝和調(diào)整采樣裝置。圖4為綜合管廊燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散實(shí)驗(yàn)臺(tái)，示意圖中僅選擇兩個(gè)管廊管段進(jìn)行示意圖展示，實(shí)際實(shí)驗(yàn)臺(tái)有8節(jié)管廊管段。

(a) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

2.2 氣體采樣系統(tǒng)

氣體采樣系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)刻對(duì)不同位置的采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，該系統(tǒng)包括直流電源、電磁繼電器、數(shù)據(jù)采集卡、電腦控制、氣體采集裝置，如圖5所示。其中電腦負(fù)責(zé)控制整套系統(tǒng)的采樣，數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為NI USB-6210，負(fù)責(zé)控制電磁繼電器的開關(guān)和換向。電磁繼電器控制采樣裝置中電磁缸的通電斷電及電流流向，從而進(jìn)行采樣和復(fù)位操作。氣體采樣裝置固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)支架上，主要由電磁缸和注射器構(gòu)成，電磁缸型號(hào)為HF-TGA-50-24-10，負(fù)責(zé)拉伸和推送注射器芯桿。采樣裝置上有卡座，可卡住注射器芯桿，注射器的針頭通過采樣點(diǎn)伸入到管廊的觀測(cè)面處的位置。

圖5 氣體采樣系統(tǒng)原理圖及氣體采集裝置實(shí)物圖

使用LabVIEW軟件編程，該程序可實(shí)現(xiàn)控制N2泄漏開關(guān)、采樣時(shí)長、氣體采集裝置的采樣與復(fù)位操作等操作，并自動(dòng)記錄N2泄漏時(shí)刻以及每次采樣時(shí)刻，實(shí)時(shí)顯示N2壓力，采樣界面如圖6所示。首先設(shè)置采樣時(shí)長即規(guī)定了采氣量的多少，點(diǎn)擊采樣后，氣體采集裝置中電磁缸帶動(dòng)注射器活塞芯桿向后拉伸，采集泄漏后的N2和CO2混合氣體，人工取下注射器，電腦點(diǎn)擊復(fù)位后在換上新的注射器，進(jìn)行下一輪的采樣操作。采樣結(jié)束后，可從電腦上導(dǎo)出每次采樣時(shí)刻，與泄漏時(shí)刻相減后即為泄漏后每次取樣的時(shí)間。

圖6 采樣程序界面

2.3 檢測(cè)裝置

實(shí)驗(yàn)中需要收集流速、流量、壓力、溫度等數(shù)據(jù)，現(xiàn)將主要檢測(cè)裝置匯總于表2。

表2 檢測(cè)裝置

圖7 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

2.4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由氣相色譜儀(GC-2001)、N2000型色譜工作站、氫氣發(fā)生器(THH-300)三部分組成(見圖7)。該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以測(cè)試氣體采樣系統(tǒng)收集的混合氣體中N2和CO2的體積分?jǐn)?shù)。在測(cè)試前，采用校正歸一法對(duì)氣相色譜儀進(jìn)行校正，之后注入采樣裝置收集的混合氣體，點(diǎn)擊安裝在電腦上的色譜工作站軟件中的采集數(shù)據(jù)按鈕，然后查看色譜軟件上的N2和CO2體積含量。在色譜工作站中讀取數(shù)據(jù)文件后，將數(shù)據(jù)保存在自制表格中，與測(cè)點(diǎn)位置和采樣時(shí)間對(duì)應(yīng)。

3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的可行性驗(yàn)證

3.1 靜態(tài)過程燃?xì)庑孤?shí)驗(yàn)

3.1.1實(shí)驗(yàn)步驟

在注射器架子上同時(shí)放置20個(gè)序號(hào)從1～20排序好的注射器，例如，1號(hào)采樣點(diǎn)配有1-1～1-20的注射器，取樣時(shí)，按順序換取注射器。

實(shí)驗(yàn)過程選取的針頭為0.16 mm，具體實(shí)驗(yàn)操作步驟為：

(1) 手動(dòng)開啟CO2氣瓶的閥門，使高純度CO2經(jīng)進(jìn)氣軟管和進(jìn)氣井進(jìn)入到管廊內(nèi)。

(2) 用便攜式CO2檢測(cè)儀檢測(cè)排風(fēng)口的CO2含量，達(dá)到99%以上時(shí)，視為管廊模型中充滿CO2氣體。然后關(guān)閉CO2氣瓶閥門，制造管廊內(nèi)無風(fēng)狀態(tài)，此時(shí)，記錄溫度為15°C。

(3) 每個(gè)氣體采集裝置卡座上放上序號(hào)為1的注射器，開啟N2氣瓶閥門，在電腦軟件中點(diǎn)擊開啟N2泄漏按鈕，此時(shí)高純度N2經(jīng)泄漏點(diǎn)針頭進(jìn)入到管廊內(nèi)，模擬地下綜合管廊中燃?xì)夤艿赖男孤U(kuò)散過程。手動(dòng)調(diào)節(jié)N2氣瓶減壓閥，調(diào)節(jié)出口壓力為0.2 MPa，觀測(cè)質(zhì)量流量計(jì)，記錄泄漏流量為2.1 L/min。

(4) 點(diǎn)擊采樣系統(tǒng)界面的采樣按鈕，10個(gè)不同位置的氣體采集裝置同時(shí)進(jìn)行采樣，采樣結(jié)束后人工取下注射器，放置在注射器架子上，點(diǎn)擊復(fù)位，按順序換上下一序號(hào)的注射器，依次在每個(gè)采樣點(diǎn)采集10管注射器的混合氣體。

(5) 采樣結(jié)束后，用橡膠塞封住注射器出口，按順序排列在架子上，等待分析。然后在電腦上點(diǎn)擊關(guān)閉N2泄漏按鈕，并手動(dòng)關(guān)閉N2氣瓶閥門。

3.1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)完成后，將待測(cè)樣品拿至數(shù)據(jù)數(shù)理系統(tǒng)處，使用氣相色譜儀對(duì)注射器中N2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量后發(fā)現(xiàn)有效測(cè)點(diǎn)為7個(gè)?，F(xiàn)將7個(gè)采樣點(diǎn)N2體積分?jǐn)?shù)在不同時(shí)間的變化情況匯總在表3。

表3 不同泄漏時(shí)間下采樣點(diǎn)的N2體積分?jǐn)?shù) %

3.2 FLUENT模擬驗(yàn)證

按照實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)際尺寸建立綜合管廊燃?xì)庑孤?shí)驗(yàn)臺(tái)物理模型，使用FLUENT軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。設(shè)置泄漏口處邊界條件為與靜態(tài)過程燃?xì)庑孤?shí)驗(yàn)工況相同的邊界條件，分別模擬燃?xì)庠诳諝猸h(huán)境中泄漏和N2在CO2環(huán)境中泄漏兩種情況。

在運(yùn)算的過程中監(jiān)測(cè)這7個(gè)采樣點(diǎn)的泄漏氣體的體積分?jǐn)?shù)變化，運(yùn)算到107 s時(shí)結(jié)束模擬，導(dǎo)出這7個(gè)采樣點(diǎn)的泄漏氣體含量，將軟件模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照，如圖8所示。

圖8 不同采樣點(diǎn)泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比結(jié)果

通過對(duì)7個(gè)采樣點(diǎn)處氣體的體積分?jǐn)?shù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)CH4在空氣中泄漏的模擬結(jié)果比較貼近實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且N2在CO2中泄漏的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致。雖存在一定的偏差，但誤差范圍在20%以內(nèi)，證明該實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬綜合管廊燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散過程是可行的。分析誤差產(chǎn)生的原因：實(shí)驗(yàn)中測(cè)量N2的體積分?jǐn)?shù)時(shí)存在由實(shí)驗(yàn)設(shè)備精度等原因?qū)е碌碾S機(jī)誤差；實(shí)驗(yàn)氣體選用的是空氣中成分比例最大的N2，在采樣之前注射器內(nèi)含有一定量的空氣，在氣相色譜處理數(shù)據(jù)時(shí)都默認(rèn)為N2；在泄漏N2之前，空氣會(huì)滲入管廊模型或上次實(shí)驗(yàn)泄漏的N2未被排盡，導(dǎo)致在采樣時(shí)N2含量增加。

4 結(jié) 語

研制的綜合管廊燃?xì)庑孤┠M實(shí)驗(yàn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)管廊中燃?xì)夤艿佬孤┣闆r的模擬。使用FLUENT軟件，設(shè)置與實(shí)驗(yàn)工況相同的條件，分別模擬N2在CO2中泄漏和CH4在空氣中泄漏兩種情況，并與實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)得數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)誤差在合理范圍之內(nèi)，證明采用N2在充滿CO2氣體的管廊模型中泄漏代替燃?xì)庠谌細(xì)夤芘搩?nèi)的泄漏模擬方法可行，并且運(yùn)用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)際綜合管廊中燃?xì)庑孤┣闆r模擬，研究燃?xì)庑孤┖髷U(kuò)散規(guī)律是可行的。另外，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)工況，研究燃?xì)庑孤┖髿怏w擴(kuò)散影響因素。為充分認(rèn)識(shí)綜合管廊內(nèi)燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散情況，有效預(yù)測(cè)泄漏事故范圍，進(jìn)行泄漏事故后處理，建立完善的燃?xì)馀撨\(yùn)行條例和國家標(biāo)準(zhǔn)，提供了安全、可行的實(shí)驗(yàn)裝置。