氣體泄漏多維濃度場(chǎng)模擬裝置研制及教學(xué)應(yīng)用

王金貴，郭 進(jìn)，張 蘇，陽(yáng)富強(qiáng)，施永乾

（福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350116）

可燃?xì)怏w在密閉空間中泄漏具有爆炸危險(xiǎn)，當(dāng)意外泄漏時(shí)，通常先在局部聚集，然后逐漸擴(kuò)散到整個(gè)密閉空間，且在擴(kuò)散期間可燃?xì)怏w-空氣并非均勻分布，而是存在多維濃度梯度，此時(shí)如果出現(xiàn)點(diǎn)火源也可能會(huì)發(fā)生爆炸[1-4]。掌握可燃?xì)怏w泄漏過(guò)程中多維濃度梯度演化規(guī)律，對(duì)于可燃?xì)怏w泄漏監(jiān)測(cè)傳感器的布局優(yōu)化具有重要現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也對(duì)分析和理解可燃?xì)怏w非均勻燃爆火焰及超壓特征具有指導(dǎo)意義。

“燃燒學(xué)”和“消防工程”課程中均涉及前述可燃?xì)怏w非均勻燃爆的知識(shí)點(diǎn)，但因氣體不可見(jiàn)、難感知，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)其擴(kuò)散行為及泄漏初期的多維濃度場(chǎng)特征等內(nèi)容均較難理解[5-6]。相關(guān)專業(yè)的教師圍繞如何提高這2 門(mén)課程的課堂教學(xué)質(zhì)量開(kāi)展了不少研究[6-13]，但限于現(xiàn)有條件，學(xué)生仍無(wú)法很好掌握前述的抽象知識(shí)點(diǎn)。在現(xiàn)代大學(xué)“科教并重，全面育人”的要求下，既要積極推進(jìn)科研，還應(yīng)將科研成果通過(guò)案例形式融入課堂教學(xué)中，向?qū)W生更好地傳授新知識(shí)、新技能。高校教師將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例不僅可以豐富教學(xué)內(nèi)容，而且可以充分發(fā)揮教師科研對(duì)教學(xué)的促進(jìn)作用，提高學(xué)生創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力，更好滿足高校培育高素質(zhì)創(chuàng)新人才的需要。

本文設(shè)計(jì)了一種氣體泄漏多維濃度場(chǎng)模擬裝置，通過(guò)多樣化的進(jìn)氣方式模擬多類氣體泄漏場(chǎng)景，并利用大量氧氣傳感器實(shí)現(xiàn)氣體多維濃度場(chǎng)的構(gòu)建。將可燃?xì)怏w泄漏過(guò)程中的多維濃度梯度演變規(guī)律應(yīng)用于課程教學(xué)中，有效地提升了學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解和掌握。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

該裝置主要分為氣體泄漏模擬系統(tǒng)和多維濃度場(chǎng)構(gòu)建系統(tǒng)。主體為一個(gè)封閉的矩形管道，總長(zhǎng)度2 m（由兩節(jié)各1 m 組成），橫截面積為0.3 m×0.3 m，兩端均用盲板封堵，在兩側(cè)盲板上各布置有1 個(gè)球閥，如圖1 所示。

圖1 氣體泄漏多維濃度場(chǎng)模擬裝置示意圖（藍(lán)色方塊為氧氣傳感器）

氣體泄漏模擬系統(tǒng)主要通過(guò)管道頂部大量的注氣噴嘴和兩側(cè)盲板上的球閥實(shí)現(xiàn)。例如，管道頂部氣體的泄漏場(chǎng)景可由以下方式實(shí)現(xiàn)：每節(jié)管道頂部安裝有18 個(gè)外徑20 mm、內(nèi)徑10 mm 的進(jìn)氣噴嘴，這些噴嘴分三排等間距布置（見(jiàn)圖2），頂部的進(jìn)氣噴嘴用氣管按需求連接并由若干流量控制閥和減壓閥實(shí)現(xiàn)差異化進(jìn)氣流量及動(dòng)力，配氣管通過(guò)多通閥與電磁閥連接后再與減壓閥連接，系統(tǒng)通過(guò)前置電磁閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。城市綜合管廊中天然氣管道的泄漏場(chǎng)景可通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：加工一根長(zhǎng)2 m 的帶有泄漏點(diǎn)的輸氣管，輸氣管兩端與兩側(cè)盲板的球閥連接，通過(guò)兩端球閥實(shí)現(xiàn)該破損輸氣管的輸氣模擬。管道端頭的氣體泄漏場(chǎng)景可通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：將管道一側(cè)盲板上的若干氧氣傳感器替換為球閥（兩者的螺紋是相同的），通過(guò)這些球閥實(shí)現(xiàn)端頭泄漏的模擬。

圖2 管道頂部進(jìn)氣噴嘴位置示意圖

氣體多維濃度場(chǎng)構(gòu)建系統(tǒng)主要由管道內(nèi)布置的大量氧氣傳感器組成（見(jiàn)圖1），在每節(jié)管道中等間距選擇四個(gè)截面（含一盲板），每個(gè)截面等間距懸掛15 個(gè)氧氣傳感器（見(jiàn)圖3），距離管道底部分別為25、87.5、150、212.5 和275 mm。假設(shè)管道中氣體僅由空氣和甲烷組成，則根據(jù)道爾頓分壓定律可根據(jù)氧氣體積分?jǐn)?shù)確定可燃?xì)怏w（以甲烷為例）體積分?jǐn)?shù)的空間分布：CCH4= (1 -CO2/20.9%) × 100%，其中CCH4和CO2分別是甲烷和氧氣的體積分?jǐn)?shù)，20.9%是干燥空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

圖3 管道內(nèi)某一截面氧氣傳感器位置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

本裝置可為“燃燒學(xué)”和“消防工程”課程中的氣體擴(kuò)散行為及氣體泄漏初期的多維濃度場(chǎng)特征等提供科研類教學(xué)案例，以管道頂部甲烷氣體泄漏情景模擬實(shí)驗(yàn)為例（實(shí)驗(yàn)管道見(jiàn)圖4），實(shí)驗(yàn)流程如下：①利用盲板封堵管道兩端，關(guān)閉所有球閥，關(guān)閉電磁閥。將真空泵與任一球閥連接，并開(kāi)啟該球閥，開(kāi)啟真空泵將管道內(nèi)負(fù)壓抽至–100 kPa 以下后，關(guān)閉球閥和真空泵。②開(kāi)啟管道底部的全部球閥，向管道內(nèi)注入干燥空氣至常壓。③按實(shí)驗(yàn)需求調(diào)整各流量控制閥和減壓閥以控制各進(jìn)氣噴嘴的甲烷注入流量及動(dòng)力。④利用真空泵將90 L 的儲(chǔ)氣罐抽成真空，然后將甲烷填充至所需壓力，通過(guò)減壓閥調(diào)整進(jìn)氣壓力。⑤開(kāi)啟氧氣傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，再開(kāi)啟電磁閥，儲(chǔ)氣罐內(nèi)甲烷氣體將通過(guò)噴嘴注入管道中，在上端注氣過(guò)程中，管道底部的排氣球閥一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，管道內(nèi)原有的部分空氣將從底部被上方甲烷擠出。⑥在注氣氣完成后，同時(shí)關(guān)閉電磁閥和管道底部球閥，并關(guān)閉流量控制閥和減壓閥。⑦持續(xù)監(jiān)測(cè)管道各空間位置的氧氣濃度，直至甲烷氣體擴(kuò)散均勻。在每組實(shí)驗(yàn)測(cè)試之前，均需使用干燥空氣徹底清潔管道。

圖4 實(shí)驗(yàn)管道實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其教學(xué)應(yīng)用

2.1 甲烷濃度場(chǎng)演變規(guī)律

節(jié)1.2 實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)管道頂部所有注氣噴嘴（注氣流量和動(dòng)力一致）在30 s 內(nèi)持續(xù)向管道內(nèi)泄露了宏觀體積濃度為10%的甲烷，因甲烷氣體擴(kuò)散速度較慢，導(dǎo)致其在泄漏初期存在較大濃度梯度，而在非均勻情況下發(fā)生的燃爆特性與均勻預(yù)混燃爆有較大不同。

以右側(cè)盲板處中部的甲烷濃度梯度為例。圖 5為該位置不同高度處的甲烷濃度隨時(shí)間的擴(kuò)散演變規(guī)律，可直觀看出不同管道高度處的甲烷濃度變化特征有較大差異。假定甲烷-空氣混合物的爆炸下限（LFL）和爆炸上限（UFL）分別為5%和15%，在H為212.5 和275 mm 的管道上部，甲烷體積分?jǐn)?shù)首先快速增加進(jìn)入可燃性極限，然后超過(guò)爆炸上限，此后達(dá)到最大值，隨后逐漸降低并再次進(jìn)入可燃性極限。在H為25 和87.5 mm 的管道下部，甲烷注入后的25 min 內(nèi)，甲烷體積分?jǐn)?shù)幾乎單調(diào)增加，最終達(dá)到10%的平均體積分?jǐn)?shù)。管道中部位置（H= 150 mm）的甲烷體積分?jǐn)?shù)先較快增加，然后穩(wěn)定在10%的平均體積分?jǐn)?shù)。在本裝置尺寸下，管道內(nèi)甲烷經(jīng)過(guò)25 min后才基本均勻。

圖5 管道各高度處甲烷體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

2.2 應(yīng)用效果

將本文裝置運(yùn)用到課程教學(xué)過(guò)程中，可以使學(xué)生更好地理解可燃?xì)怏w在泄漏初期時(shí)存在多維濃度場(chǎng)分布特征及其演變規(guī)律等知識(shí)點(diǎn)，為學(xué)生在“安全檢測(cè)與監(jiān)控技術(shù)”中涉及的可燃?xì)怏w泄漏監(jiān)測(cè)傳感器的布局優(yōu)化提供具體思路，同時(shí)也對(duì)“燃燒學(xué)”和“消防工程”課程中分析和理解可燃?xì)怏w非均勻燃爆火焰及超壓特征具有指導(dǎo)意義。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研制了一種氣體泄漏多維濃度場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，并以甲烷泄漏過(guò)程中的濃度梯度特征及其演變規(guī)律為例應(yīng)用于課程教學(xué)中。該裝置明顯提升了學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，而且還培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。