計算流體力學模型的有效性驗證試驗

唐紅飛 章志超（中國地質大學（武漢）工程學院,湖北 武漢 430074)

為驗證計算流體力學模型（CFD）的有效性，國內外學者對此進行了大量的研究，總體可以概括為以下兩種方法：一種是與經驗模型對比；另一種是實驗驗證（現場實驗和室內實驗），國外早在20世紀70年代就開始進行了一系列大規模的現場實驗，投入了大量的人力、物力、財力，不僅對環境造成破壞，而且受氣象條件影響較大，不能重復實驗；國內外室內較大空間的泄漏擴散實驗也有很多，但實驗室內進行經濟、可重復性高的區域模擬實驗較少。

1 實驗設計

1.1 主要實驗器材

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

表1-1 實驗器材

1.2 實驗方案

在裝置設計過程中，考慮到隔板障礙物的尺寸，提前留好相應尺寸的縫隙。本次實驗采用隔板來模擬障礙物，實驗設計了四個隔板，其中兩個位于較前面的位置，兩個位于接近出風口的位置。采用七個超低功耗的二氧化碳傳感器隨時監控二氧化碳氣體的泄漏擴散濃度。

為盡可能研究整個裝置中二氧化碳氣體的擴散情況，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。為減少實驗誤差，傳感器的布線盡可能貼著裝置底部，不至于影響二氧化碳氣體的擴散。

將傳感器接到電腦的USB端口上，USB端口用驅動器進行轉換，待氣體數據采集軟件接口確認接通后，即監控二氧化碳氣體的濃度值。打開二氧化碳氣瓶的閥門，通過閥門調節氣體流速，并用流量計記錄此時的流速大小，數據采集軟件會自動記錄任意時刻監測點位置二氧化碳氣體的濃度，待濃度值變化較小，圍繞一個數值波動，可停止本次實驗，關閉閥門。

實驗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 實驗步驟

第一步：按照實驗方案要求組裝好實驗裝置，打開數據采集軟件并調試完畢；

第二步：在裝置模型上選擇一個7mm×7mm方形孔泄漏源，作為二氧化碳壓力入口，經壓力閥、壓力計和流量計后在模型裝置泄漏源處泄漏，泄漏模型實驗數據檢測系統如圖1-2所示：

圖1-2 泄漏模型實驗數據監測系統

第三步：在試驗開始時，先測量并記錄初始狀態下，模型中個監測點二氧化碳濃度值；

第四步：打開二氧化碳氣瓶供氣，以1秒為間隔記錄各時間點的氣瓶壓力、二氧化碳流量、各二氧化碳濃度檢測儀的濃度值等數據；

第五步：整理試驗數據，獲得各算例的風場風速、各時間點（含初始狀態）的二氧化碳氣瓶壓力和二氧化碳流量、各二氧化碳濃度檢測儀的濃度值等數據；

第六步：將裝置敞開，待裝置內二氧化碳消散后，改變二氧化碳泄漏的質量流量，重復上述實驗，并記錄各個監測點位置二氧化碳的濃度。

1.4 實驗數據

本次實驗采用改變二氧化碳泄漏質量流量的方法進行多次重復實驗，通過數據采集軟件記錄實驗數據，數據采集軟件界面如圖1-3。

圖1-3 二氧化碳泄漏模型數據監測軟件界面

2 實驗誤差來源

實驗中誤差是不可避免的，本次實驗誤差來源主要有以下三個方面：

2.1 室內空氣流動會引起靠近出風口6、7 兩個監測點的濃度波動；

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%，會對各個監測點實際二氧化碳濃度值產生影響；

2.3 連接各個監測點與二氧化碳傳感器的導線布置會影響對二氧化碳氣體的擴散，造成濃度監測結果偏差。

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