CN110560194A - 一种泄漏扩散实时模拟实验平台 - Google Patents

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陈国鑫
张日鹏
赵祥迪
王正
袁纪武
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China Petrochemical Corp
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Sinopec Qingdao Safety Engineering Institute
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Abstract

本发明公开了一种泄漏扩散实时模拟实验平台，属于石油、化工安全生产技术领域。其包括动力单元、泄漏单元、喷淋单元、检测单元和计算单元，泄漏单元包括气体缓冲区和实验测试区两部分，气体缓冲区为示踪气体、空气与目标扩散气体的混合区域，喷淋单元设置在实验测试区内，气体缓冲区和实验测试区二者保持连通；动力单元用于向气体缓冲区提供目标气体及示踪气体；检测单元用于检测实验测试区内气体扩散的速度场和浓度场分布情况；计算单元用于对实验测试区内气体扩散过程进行数值计算。本发明采用实验与数值模拟方法相结合，可使模拟结果与实验现象同步显示，捕捉实验中浓度场和速度场分布等难以测量的数据。

Description

一种泄漏扩散实时模拟实验平台
技术领域
本发明属于石油、化工安全生产技术领域，具体涉及一种泄漏扩散实时模拟实验平台。
背景技术
石化行业存在大量危险化学品，这些危险化学品在生产、运输、存储和使用等环节都存在发生泄漏事故的危险。泄漏事故一旦发生，极易引发中毒、火灾、爆炸等恶性事件，对人员生命及财产安全造成巨大威胁。
目前针对气体扩散行为特征及规律主要采用经验关联式进行预测，但不同危险化学品气体发生泄漏事故时具有不同的扩散行为，且泄漏区域水文、地理及气象条件不同，造成现有的经验关联式很难应用于泄漏事故的事故重构和事故应急决策的制定中，因此研究不同危险化学品气体扩散行为特征及规律是十分必要的。研究方法可以分为实验方法和数值模拟方法。实验方法直观性强，但尺度一般较小，将其结果应用于大尺度气体扩散中存在一定偏差，并且难以获得整个扩散区域的浓度分布数据，需要借助数值模拟方法对实验中难以获得的数据进行挖掘，因此采用实验方法与数值模拟方法相结合的方式对气体扩散研究具有十分重要的意义。
目前，现有技术中有关研究报道取得了一定的进展，如CN 103527934A公开了一种可以模拟多种不同泄漏工况的稳态与动态泄漏过程的管道泄漏实验装置及实验方法。CN102322570A公开了一种可用于水下输气管道泄漏检测的实验平台。CN 103175658A开发了一种用于检测核电站管道泄漏率的试验方法和系统。但上述现有技术集中于某种类型的泄漏实验装置的开发，尺度较小，忽略了数值模拟在该研究中的重要性，实验结果不具有普适性。
综上所述，目前现有技术对气体泄漏扩散的实验研究装置具有一定局限性，不能满足对气体扩散特征规律进行全面分析的要求，因此开发一种泄漏扩散实时模拟实验平台十分必要。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种泄漏扩散实时模拟实验平台，其采用实验与数值模拟方法相结合，可使模拟结果与实验现象同步显示，捕捉实验中浓度场和速度场分布等难以测量的数据。
其技术解决方案包括：
一种泄漏扩散实时模拟实验平台，其包括动力单元、泄漏单元、喷淋单元、检测单元和计算单元，所述泄漏单元包括气体缓冲区和实验测试区两部分，所述气体缓冲区为示踪气体、空气与目标扩散气体的混合区域，所述喷淋单元设置在所述实验测试区内，所述气体缓冲区和所述实验测试区二者保持连通；
所述动力单元用于向所述气体缓冲区提供目标气体及示踪气体；
所述检测单元用于检测所述实验测试区内气体扩散的速度场和浓度场分布情况；
所述计算单元用于对所述实验测试区内气体扩散过程进行数值计算。
作为本发明的一个优选方案，所述动力单元包括防爆风机、目标气体气瓶及示踪气体气瓶，所述防爆电机、目标气体气瓶、示踪气体气瓶分别通过第一管路、第二管路、第三管路连接所述气体缓冲区。
作为本发明的另一个优选方案，在所述第一管路、第二管路、第三管路上均设置有阀门。
进一步的，所述喷淋单元包括喷淋液储罐、液相管道及若干个喷淋头，所述液相管道与所述喷淋液储罐连接，所述液相管道分为若干根支路管道，每根支路管道与一个喷淋头连接。
进一步的，所述液相管道上还设置有离心泵和阀门。
进一步的，所述喷淋储液罐内放置有水或洗消液。
优选的，检测单元位于所述实验测试区外，其包括摄像机、色谱仪。
优选的，所述计算单元包括计算机、投影仪和投影屏幕。
进一步的，所述气体缓冲区和实验测试区的周向上都设置有透明玻璃，用于从各个角度观察气体扩散行为。
进一步的，所述气体缓冲区和实验测试区之间设置有隔板，在所述隔板上设置有泄漏口。
本发明所带来的有益技术效果为：
本发明采用实验与数值模拟方法相结合，可使模拟结果与实验现象同步显示，捕捉整个扩散区域的浓度场和速度场分布等难以测量的数据，适用于多种类型及不同物质的气体泄漏扩散场景，直观性及数据显示性高。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明泄漏扩散实时模拟实验平台结构示意图；
图中，1-1、防爆电机，1-2、离心泵，1-3-1、目标气体气瓶，1-3-2、示踪气体气瓶，1-4、气相管道，1-5、阀门，2-1、气体缓冲区，2-2、实验测试区，3-1、喷头，3-2、液相管道，3-3、喷淋液储罐，4-1、摄像机，4-2、色谱仪，5-1、计算机，5-2、投影仪，5-3、投影屏幕。
具体实施方式
本发明提出了一种泄漏扩散实时模拟实验平台，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例做详细说明。
本发明公开了一种泄漏扩散实时模拟实验平台，主要采用实验与数值模拟相结合的方法对危险化学品气体的扩散行为特征及规律进行研究，适用于多种类型及不同物质的气体泄漏扩散场景。该实验平台包括动力单元、泄漏单元、喷淋单元、检测单元和计算单元五个部分。
动力单元由防爆风机1-1、离心泵1-2、目标气体气瓶1-3-1、示踪气体气瓶1-3-2、气相管道1-4和阀门1-5组成，动力单元通过气体管道1-4与泄漏单元2相连，泄漏单元2包括气体缓冲区2-1和实验测试区2-2。气体缓冲区2-1主要是示踪气体、空气与目标扩散气体的混合区域，混合均匀后进入实验测试区2-2。气体缓冲区2-1和实验测试区2-2由一隔板隔开，可根据泄漏源的类型设置不同形状、尺寸和数目的泄漏口，气体由泄漏口进入实验测试区2-2。实验测试区2-2是气体在该实验平台中的主要扩散区域，可在区域内设置障碍物模拟真实地形。
在实验测试区2-2内设置喷淋单元，由喷头3-1、液相管道3-2和喷淋液储罐3-3组成。喷淋液储罐3-3内存有水或洗消液，由动力单元提供压力喷入实验测试区2-2。实验测试区2-2内设置检测单元，检测单元由高速摄像机4-1，色谱仪4-2等仪器组成，用以检测气体扩散的速度场和浓度场分布。整个泄漏单元采用透明玻璃制成，便于从各个角度观察气体扩散行为。为将气体扩散的数值模拟结果与实验过程同步显示，还需在扩散区域外引入计算单元。计算单元由计算机5-1、投影仪5-2和投影屏幕5-3组成，必要时可接入计算集群进行分布式计算。
下面对本发明模拟实验平台的具体操作方法做详细说明。
具体操作步骤为：
启动动力单元中的防爆风机1-1，打开贮存目标气体气瓶1-3-1和示踪气体气瓶1-3-2的气瓶阀门，使空气、目标扩散气体和示踪气体进入泄漏单元的气体缓冲区2-1，混合均匀后进入泄漏单元的实验测试区2-2。气体在实验测试区2-2进行扩散，由检测单元对扩散过程的速度场和浓度场分布进行测量或检测。若需要试验水或洗消液喷淋对气体扩散行为特征及规律的影响，在气体扩散过程中可开启离心泵1-2，使喷淋液从喷淋液储罐3-3通过液相管道3-2进入实验测试区2-2。在实验中可根据需求对喷头3-1的数量和位置进行设置，同时可调整水喷淋流量或压力。在气体进入实验测试区2-2时，同时开启计算单元，采用流体力学软件Fluent、CFX等对气体扩散过程进行数值计算，并将速度场和浓度场分布通过投影仪5-2在投影屏幕5-3中同步显示，达到模拟计算与实验过程同步进行的要求。
本发明采用实验与数值模拟方法相结合，可使模拟结果与实验现象同步显示，捕捉实验中浓度场和速度场分布等难以测量的数据。该实验平台适用于多种类型及不同物质的气体泄漏扩散场景，直观性及数据显示性高，对深入研究气体泄漏扩散行为特征及规律具有重要意义。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
尽管本文中较多的使用了诸如防爆电机、泄漏单元、气体缓冲区等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。本领域技术人员在本发明的启示下对这些术语所做的简单替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种泄漏扩散实时模拟实验平台，其包括动力单元、泄漏单元、喷淋单元、检测单元和计算单元，其特征在于：
所述泄漏单元包括气体缓冲区和实验测试区两部分，所述气体缓冲区为示踪气体、空气与目标扩散气体的混合区域，所述喷淋单元设置在所述实验测试区内，所述气体缓冲区和所述实验测试区二者保持连通；
所述动力单元用于向所述气体缓冲区提供目标气体及示踪气体；
所述检测单元用于检测所述实验测试区内气体扩散的速度场和浓度场分布情况；
所述计算单元用于对所述实验测试区内气体扩散过程进行数值计算。
2.根据权利要求1所述的一种泄漏扩散实时模拟实验平台，其特征在于：所述动力单元包括防爆风机、目标气体气瓶及示踪气体气瓶，所述防爆电机、目标气体气瓶、示踪气体气瓶分别通过第一管路、第二管路、第三管路连接所述气体缓冲区。
3.根据权利要求2所述的一种泄漏扩散实时模拟实验平台，其特征在于：在所述第一管路、第二管路、第三管路上均设置有阀门。
4.根据权利要求1所述的一种泄漏扩散实时模拟实验平台，其特征在于：所述喷淋单元包括喷淋液储罐、液相管道及若干个喷淋头，所述液相管道与所述喷淋液储罐连接，所述液相管道分为若干根支路管道，每根支路管道与一个喷淋头连接。
5.根据权利要求4所述的一种泄漏扩散实时模拟实验平台，其特征在于：所述液相管道上还设置有离心泵和阀门。
6.根据权利要求4所述的一种泄漏扩散实时模拟实验平台，其特征在于：所述喷淋储液罐内放置有水或洗消液。
7.根据权利要求1所述的一种泄漏扩散实时模拟实验平台，其特征在于：所述检测单元位于所述实验测试区外，其包括摄像机、色谱仪。
8.根据权利要求1所述的一种泄漏扩散实时模拟实验平台，其特征在于：所述计算单元包括计算机、投影仪和投影屏幕。
9.根据权利要求1所述的一种泄漏扩散实时模拟实验平台，其特征在于：所述气体缓冲区和实验测试区的周向上都设置有透明玻璃，用于从各个角度观察气体扩散行为。
10.根据权利要求1所述的一种泄漏扩散实时模拟实验平台，其特征在于：所述气体缓冲区和实验测试区之间设置有隔板，在所述隔板上设置有泄漏口。
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