氣體分布規(guī)律的試驗(yàn)研究

李向勇

0 引言

地下管溝是在城市地下建造一個(gè)隧道空間,將市政、電力、通訊、燃?xì)狻⒔o排水等各種管線集中布置在同一個(gè)地下隧道中。地下管溝是城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一,是21世紀(jì)城市發(fā)展的方向[1]。對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō),經(jīng)濟(jì)、社會(huì)以及政治各方面都處在發(fā)展和變化之中,發(fā)展地下管溝尤其顯得重要,現(xiàn)在針對(duì)這類問(wèn)題正在形成研究熱潮[2-4]。

本文通過(guò)模型試驗(yàn),對(duì)可燃?xì)怏w在地下管溝內(nèi)泄漏后摩爾組分濃度分布規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)中用安全氣體二氧化碳進(jìn)行濃度測(cè)試,用模型長(zhǎng)10 m,橫截面為15 cm×15 cm的方形,試驗(yàn)時(shí)模型沿長(zhǎng)度方向水平放置。沿著模型一個(gè)壁面的中間每隔200 mm開有一個(gè)測(cè)量小孔,共計(jì)49個(gè)孔,從一端向另一端依次編號(hào)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(gè)10 mm×10 mm方形出氣孔。

試驗(yàn)中,二氧化碳的濃度是由4臺(tái)GXH-3010E型便攜式紅外線分析器測(cè)量,釋放量通過(guò)流量計(jì)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(yàn)中考慮的參數(shù)包括:二氧化碳釋放量(用Q表示)、氣體釋放時(shí)間(用 T表示)、測(cè)量的氣體摩爾組分濃度(用 C表示)、氣體流動(dòng)空間的橫截面面積(用 A表示)和測(cè)量距離即氣體摩爾組分濃度測(cè)量點(diǎn)到氣體釋放點(diǎn)的距離(用S表示)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 摩爾組分濃度與釋放時(shí)間的關(guān)系

當(dāng)釋放量分別為2 L/min,在距離釋放點(diǎn)2 m處測(cè)量的摩爾組分濃度C與氣體釋放時(shí)間T的關(guān)系如圖1所示。

從圖1中可以看出,當(dāng)釋放量固定、測(cè)量距離固定時(shí),濃度隨釋放時(shí)間的變化關(guān)系為:初始濃度增加速度較快,變化劇烈,隨著時(shí)間的增加,濃度變化幅度慢慢降低。

從試驗(yàn)結(jié)果可知,不論釋放量多大、測(cè)量距離遠(yuǎn)近,這種變化規(guī)律基本是一樣的,即:濃度隨時(shí)間變化表現(xiàn)出初始快后來(lái)慢的特點(diǎn)。因此我們可以得出這樣的結(jié)論:濃度與釋放時(shí)間的關(guān)系可以用冪指數(shù)關(guān)系描述,即:

2.2 “零點(diǎn)距離”分析

為了分析的需要,我們先定義兩個(gè)名詞:“零點(diǎn)距離”和“名義擴(kuò)散速度”。

定義1:將摩爾組分濃度為零的測(cè)量點(diǎn)到氣體釋放點(diǎn)之間的距離稱為“零點(diǎn)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(dòng)空間的橫截面面積 A稱為“名義擴(kuò)散速度”(quasi-spreading speed),并用V表示。

影響零點(diǎn)距離的因素有橫截面面積、釋放量和釋放時(shí)間。很顯然,釋放量越大,零點(diǎn)距離應(yīng)該越大;釋放時(shí)間越長(zhǎng),零點(diǎn)距離應(yīng)該越大;而橫截面面積越大,零點(diǎn)距離應(yīng)該越小。

圖2是零點(diǎn)距離S0與名義擴(kuò)散速度 V之間的關(guān)系。

從圖2可以看出,零點(diǎn)距離與名義擴(kuò)散速度之間是線性關(guān)系。圖3是零點(diǎn)距離隨釋放時(shí)間之間的變化關(guān)系。

同名義擴(kuò)散速度一樣,零點(diǎn)距離隨釋放時(shí)間的變化關(guān)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(diǎn)距離的計(jì)算公式如下:

其中,T為釋放時(shí)間,min;V為名義擴(kuò)散速度,m/min;S0為計(jì)算的零點(diǎn)距離,m。

2.3 摩爾組分濃度與測(cè)量距離的關(guān)系

圖4是釋放量為5 L/min,幾種釋放時(shí)間下試驗(yàn)實(shí)測(cè)的反映濃度與測(cè)量距離之間關(guān)系的數(shù)據(jù)圖形。

盡管從圖4中可以看出,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較離散,但它們之間的規(guī)律依然是明顯的,即變化方式為:隨著測(cè)量距離的增加,濃度依次遞減,如果管道的長(zhǎng)度足夠大,總有一處的濃度是零。

通過(guò)數(shù)據(jù)變化以后,將會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的變化關(guān)系。變化數(shù)據(jù)的方式是這樣的:對(duì)于每一種釋放量Q的各種釋放時(shí)間T,計(jì)算零點(diǎn)距離 S0,用 S0除以各測(cè)量距離 S,即用 S/S0來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量點(diǎn)位置,并且用第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的濃度除以各測(cè)量點(diǎn)的濃度來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化濃度。通過(guò)這樣變化以后,近似滿足余弦關(guān)系。進(jìn)一步分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以看出,當(dāng)零點(diǎn)距離不超過(guò)模型長(zhǎng)度時(shí),這種余弦關(guān)系與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合的非常好;當(dāng)計(jì)算的零點(diǎn)距離超出模型長(zhǎng)度時(shí),距離釋放點(diǎn)越近,吻合程度越高。分析原因,我們認(rèn)為這是由于模型試驗(yàn)中的邊界條件引起的。因?yàn)槟Ｐ驮囼?yàn)中兩端的邊界幾乎都是封閉的,當(dāng)零點(diǎn)距離不超過(guò)模型長(zhǎng)度時(shí),可以說(shuō)端部封閉的邊界對(duì)濃度變化影響較小,而當(dāng)零點(diǎn)距離超過(guò)模型長(zhǎng)度時(shí),端部的封閉邊界對(duì)濃度變化影響較大。然而,實(shí)際工程的共同溝是兩端不封閉的,而且長(zhǎng)度幾乎可以看成是無(wú)限長(zhǎng)的,這樣就不會(huì)有邊界的影響,因此實(shí)際情況將更加符合上面的余弦規(guī)律。

通過(guò)上述分析,我們可以得出結(jié)論:濃度與測(cè)量距離之間的關(guān)系符合余弦規(guī)律,即:

2.4 摩爾組分濃度與名義擴(kuò)散速度的關(guān)系

測(cè)量距離等于2 m,4 m和6 m處,對(duì)應(yīng)于各種釋放時(shí)間 T,從名義擴(kuò)散速度的變化對(duì)摩爾組分濃度的影響關(guān)系可以看出,不論測(cè)量距離遠(yuǎn)近,基本上摩爾組分濃度與名義擴(kuò)散速度之間為線性關(guān)系,即:

2.5 摩爾組分濃度分布規(guī)律分析

通過(guò)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)相互關(guān)系的分析可知,摩爾組分濃度與釋放時(shí)間、測(cè)量距離和名義擴(kuò)散速度之間的規(guī)律滿足如下關(guān)系:

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

其中,α和β為待定系數(shù),通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析求得。

根據(jù)回歸結(jié)果,最后我們確定摩爾組分濃度的計(jì)算公式為:

其中,S0為由式(2)計(jì)算的零點(diǎn)距離,m。公式中各物理量的單位是:名義擴(kuò)散速度:m/min,釋放時(shí)間:min,測(cè)量距離:m,計(jì)算出的摩爾組分濃度為百分比數(shù)值。

3 數(shù)據(jù)比較

表1是計(jì)算濃度與部分實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。

表1 計(jì)算濃度與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

從表1中可以看出,計(jì)算公式的計(jì)算精度能夠滿足工程要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的摩爾組分濃度與釋放量、釋放時(shí)間和測(cè)量距離等因素的分析,建立了濃度分布的計(jì)算公式,根據(jù)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較可知,計(jì)算公式的精度能夠符合工程的需要。

[1] 錢七虎,陳曉強(qiáng).利用地下空間建設(shè)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(nèi)燃?xì)庑孤U(kuò)散規(guī)律的數(shù)值仿真[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版),2005,22(2):177-180.

[3] 章友俊,彭?xiàng)澚?共同溝開發(fā)與建設(shè)的思考[J].市政技術(shù),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.