氣體分布規律的試驗研究

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設施建設現代化的重要標志之一,是21世紀城市發展的方向[1]。對于我國來說,經濟、社會以及政治各方面都處在發展和變化之中,發展地下管溝尤其顯得重要,現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泄漏后摩爾組分濃度分布規律進行試驗研究。

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。靠近釋放口處的模型橫截面密封,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 試驗結果分析

2.1 摩爾組分濃度與釋放時間的關系

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。

從試驗結果可知,不論釋放量多大、測量距離遠近,這種變化規律基本是一樣的,即:濃度隨時間變化表現出初始快后來慢的特點。因此我們可以得出這樣的結論:濃度與釋放時間的關系可以用冪指數關系描述,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,零點距離應該越大;釋放時間越長,零點距離應該越大;而橫截面面積越大,零點距離應該越小。

圖2是零點距離S0與名義擴散速度 V之間的關系。

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

同名義擴散速度一樣,零點距離隨釋放時間的變化關系也是線性的。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系的數據圖形。

盡管從圖4中可以看出,實驗數據比較離散,但它們之間的規律依然是明顯的,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。

通過數據變化以后,將會發現不同的變化關系。變化數據的方式是這樣的: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,近似滿足余弦關系。進一步分析試驗數據還可以看出,當零點距離不超過模型長度時,這種余弦關系與試驗數據吻合的非常好;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律。

通過上述分析,我們可以得出結論:濃度與測量距離之間的關系符合余弦規律,即:

2.4 摩爾組分濃度與名義擴散速度的關系

測量距離等于2 m,4 m和6 m處,對應于各種釋放時間 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系,即:

2.5 摩爾組分濃度分布規律分析

通過上述試驗數據相互關系的分析可知,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律滿足如下關系:

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

其中,α和β為待定系數,通過試驗數據回歸分析求得。

根據回歸結果,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值。

3 數據比較

表1是計算濃度與部分實測試驗數據的對比。

表1 計算濃度與試驗數據對比

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 結語

通過對模型試驗數據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,根據計算結果與試驗實測數據的比較可知,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.共同溝內燃氣泄漏擴散規律的數值仿真[J].深圳大學學報(理工版),2005,22(2):177-180.

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

[4] 聶永平.共同溝的成本分析與研究[J].地下空間,2004,24(3):377-379.