CN217561258U - 一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置，包括泄放系统和扩散监测系统，泄放系统包括：供气气瓶、风速风向仪、工控机、数据采集模块、气管；扩散监测系统包括障碍物、气体红外热像仪、单点式气体浓度传感器。风速风向仪连接数据采集模块将数据传输至工控机；气管出口放置于气瓶顺风向中心线位置；所述障碍物位于气瓶顺风向中心线上；气体红外热像仪测量范围覆盖整个实验装置区域；在所述障碍物的周围设置有多个单点式气体浓度传感器。整套实验装置可重复使用且工况容易调控，可全面监测泄漏空间的气体浓度情况，根据研究需要可研究不同气体遇障碍物时的扩散规律以及不同障碍物对气体扩散的影响。

Description

一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置

技术领域

本实用新型属于公共安全应急监测领域，具体涉及一种采用组合探测方法研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置。

背景技术

随着我国石油化工行业的快速发展，有毒有害气体泄漏而导致的火灾、爆炸及污染事故偶有发生，造成严重的人员伤亡与财产损失，并对公共安全构成了巨大威胁。有毒有害气体泄漏事故发生后，多数研究根据化工园区内部署的单点式气体传感器传回数据，由高斯烟羽气体扩散经典模型计算泄漏点位置，确定泄漏设备源。但真实事故场景中，化工管道、储罐、防火堤及办公楼等都会对气体扩散造成阻碍，气云会产生聚积、抬升与扰动，所以确定的泄漏点位置存在偏差。

目前，国内外针对障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验研究较少，且存在有不少缺陷：

(1)对障碍物场景下的气体扩散规律的研究多集中于理论与数值模拟研究。由于气体扩散遇障碍物后，扩散规律复杂且尚不明确，所以大多研究内容均停留在理论及数值模拟研究上。如专利[CN107526905A]公开了一种基于FLUENT的氯气泄漏绕障碍物扩散的研究方法，应用FLUENT软件分析气体遇障碍物的扩散规律研究，无法对真实场景下气体扩散进行描述。

(2)气体浓度测量不全面。大多气体扩散实验均采用多个单点式气体浓度传感器进行气体浓度测量，由于单点式气体浓度传感器仅测量空间某一点的气体浓度，在空间范围内布设分散的传感器不能对整个泄漏空间进行气体浓度测量，即无法全面描述气体扩散进程。如专利[CN109632880B]公开了一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，该专利是在障碍物后方阵列布设单点式传感器，无法对气体浓度进行全空间测量。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是提供一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置。

本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置，可全面监测泄漏空间的气体浓度情况，根据研究需要可分析不同气体遇障碍物时的扩散规律以及不同障碍物(形状、大小等)对气体扩散的影响，整套实验装置可重复使用且工况容易调控。

本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本实用新型提供的一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置，包括泄放系统和扩散监测系统，所述泄放系统包括供气气瓶、气管、风速风向仪、数据采集模块和工控机，气管和供气气瓶连通，气管的出口位于供气气瓶的顺风向位置并朝向扩散监测系统，所述风速风向仪通过所述数据采集模块和所述工控机连接,工控机用于存储风速风向数据；

所述扩散监测系统包括障碍物、气体红外热像仪和多个单点式气体浓度传感器，所述障碍物位于气管的出口的顺风向上，气体红外热像仪的视野可覆盖整个实验装置，气体红外热像仪用以监测实验区域的气体浓度，且所述气体红外热像仪的所处高度可调，在所述障碍物的周围设置有多个单点式气体浓度传感器。

采用前述方案，泄漏空间中的气体浓度由气体红外热像仪与单点式气体浓度传感器组合探测。气体红外热像仪在某一时刻可监测较大范围的气体浓度数据，但浓度监测结果是监测截面的二维图片。单点式气体浓度传感器在某一时刻只监测某一点的气体浓度数据，在障碍物周围布设单点式气体浓度传感器可补充气体红外热像仪未能监测到的空间位置的气体浓度。采用组合探测方法可获得更接近真实空间的气体浓度分布。通过气体红外热像仪可快速、准确且远距离监测较大范围的气体泄漏，将肉眼不可见的气体泄漏进行可视化呈现。与传统的单点式气体浓度传感器相比，对大面积区域的探测速度可提高9倍。

进一步地，气管出口放置于供气气瓶迎风面中心线位置。

进一步地，所述泄放系统还包括减压阀，所述减压阀设置在所述气管上。通过设置减压阀用以确保气体泄放流量可控且稳定。

进一步地，所述泄放系统还包括流量计，通过设置流量计用以精确调整气体泄漏量，保证实验真实数据与记录数据的一致性。

进一步地，所述泄放系统还包括止回阀，所述止回阀设置在所述气管上。通过设置止回阀，可以防止气体回流，保障实验安全。

进一步地，所述扩散监测系统还包括三脚架，所述气体红外热像仪固定在所述三脚架上。通过设置高度可调的三角架，可以便于根据实验需求调整气体红外热像仪所处高度。

进一步地，所述风速风向仪与所述供气气瓶平行设置。

进一步地，风速风向仪采用超声波风速风向仪，间隔预设时间来采集环境中的风速风向数据。

进一步地，所述障碍物位于气管的出口的顺风向中心线上。

进一步地，在所述障碍物的迎风面中心线、所述障碍物的侧面以及所述障碍物的背风面中心线上均分别设置有所述单点式气体浓度传感器。单点式气体浓度传感器用于测量泄放气体浓度，补充气体红外热像仪未能监测到的空间位置的气体浓度。

进一步地，在所述障碍物的迎风面中心线上纵向排布有3个单点式气体浓度传感器，在所述障碍物的侧面纵向排布有2个单点式气体浓度传感器，在所述障碍物的背风面中心线上纵向排布有2个单点式气体浓度传感器，每个单点式气体浓度传感器分别检测所处位置的气体浓度。

进一步地，根据气体属性决定单点式气体浓度传感器的间隔及设置高度。

进一步地，所述单点式气体浓度传感器固定在可调节三脚架上。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

(1)对障碍物场景下的气体扩散规律进行实验研究，采用缩比实验对气体遇障碍物扩散规律进行研究，障碍物尺寸的选取参考实际化工园区中的储罐、办公楼以及防火堤尺寸，实验获得的数据能够验证此类研究数值模拟方法的可行性及正确性。

(2)气体浓度测量更为全面。气体红外热像仪在某一时刻可快速、准确且远距离监测较大范围的气体浓度数据，将肉眼不可见的气体泄漏进行可视化呈现。与传统的单点式气体浓度传感器相比，对大面积区域的探测速度可提高9倍，但气体红外热像仪的浓度监测结果是监测截面的二维图片。单点式气体浓度传感器在某一时刻只监测某一点的气体浓度数据，在障碍物周围布设单点式气体浓度传感器可补充气体红外热像仪未能监测到的空间位置的气体浓度。采用组合探测方法可更为全面的检测到泄漏空间的气体浓度情况，为后续研究气体遇障碍物扩散规律建立了较好的数据基础。

(3)泄放口到障碍物间的距离可灵活调整，提高了在进行不同实验变量研究的实验效率。一些实验会探究泄漏点到障碍物距离对气体扩散规律的影响，而部分实验设备将泄漏口和障碍物之间的间距设置为固定距离。本实用新型由于各个组件的连接较为灵活，方便调整泄漏点到障碍物的距离，以此控制实验变量。

附图说明

为了更清楚地说明实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：

图1为本实用新型实施例提供的实验装置的总体结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的实验装置中障碍物周围单点式气体浓度传感器布置示意图；

图3是本实用新型实施例提供的实验装置的操作过程图。

图中各部分说明如下：供气气瓶1、减压阀2、流量计3、止回阀4、风速风向仪5、障碍物6、气体红外热像仪7、三脚架8、工控机9、数据采集模块10、气管11、单点式气体浓度传感器12。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本实用新型保护的范围。

本实用新型提供的一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置可用来在不确定泄漏点的位置不时研究障碍物场景下泄漏气体的扩散规律，从而达到准确定位泄漏点、防止事故扩大以及提供应急决策支持的目的。

本实用新型提供的一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置包括泄放系统和扩散监测系统两个部分。请参阅图1，所述泄放系统包括：供气气瓶1、减压阀2、流量计3、止回阀4、风速风向仪5、工控机9、数据采集模块10和气管11。所述扩散监测系统包括障碍物6、气体红外热像仪7、三脚架8、单点式气体浓度传感器12。

在本实用新型其中的一些实施例中，所述风速风向仪5与供气气瓶1平行设置，以保证能够监测泄放口风速，风速风向仪5连接数据采集模块10至工控机9，工控机9用于存储风速风向数据，数据采集模块10用于将485信号采集后转换成气体浓度。

在本实用新型其中的一些实施例中，所述供气气瓶1通过气管11依次连接减压阀2、流量计3和止回阀4，气管11的出口设置于供气气瓶1顺风向位置(如可设置在顺风向中心位置)，减压阀2与流量计3用以确保气体泄放流量可控且稳定，止回阀4用以防止气体回流，保障实验安全。

在本实用新型其中的一些实施例中，所述障碍物6位于气管11的出口顺风向中心线上。气流遇障碍物会产生绕流现象，一般障碍物取轴对称图形且将泄漏点和障碍物的中心线保持一致时，气流的绕流规则是上下对称的，在没有对绕流规则有详细描述的情况下，将泄漏点与障碍物中心线平齐放置会更方便研究。如果泄漏点不在障碍物中心线上，绕流规律会更难以观察及发现。

在本实用新型其中的一些实施例中，气管11为PU气管。

在本实用新型其中的一些实施例中，所述气体红外摄像仪7固定在可调节的三脚架8上，气体红外热像仪7的视野可覆盖整个实验装置，气体红外热像仪7用以监测实验区域的气体浓度；在障碍物6迎风面中心线、障碍物6侧面以及障碍物6背风面中心线上均设置有所述单点式气体浓度传感器12，单点式气体浓度传感器12用以测量相应位置处的泄放气体浓度，补充气体红外热像仪7未能监测到的空间位置的气体浓度。由于对称图形绕流规则具有对称性，所以一般研究会以障碍物中心线为轴，只研究一半障碍物对气流的影响，也就导致障碍物迎风面和背风面的中心线上的两点成为了具有代表性且值得研究的边界点，所以将单点式气体浓度传感器放置在障碍物中心线上进行单点测量。

在本实用新型其中的一些实施例中，如图2所示，障碍物6周围的单点式气体浓度传感器12布置方案如下：障碍物6迎风面中心线上纵向放置3个单点式气体浓度传感器12，障碍物6侧面纵向放置2个单点式气体浓度传感器12，障碍物6背风面中心线上纵向放置2个单点式气体浓度传感器12，单点式气体浓度传感器的间隔及设置高度在实验过程中根据所选气体属性进行调整。发现气流遇障碍物后，障碍物迎风面会产生气流的抬升与堆积，而障碍物背风面会产生空腔和旋涡，所以在保证单点式气体浓度传感器的功能性下，综合考虑实际布设的经济成本，将迎风侧设置3个单点式气体浓度传感器，障碍物侧面设置2个，背风侧设置2个，该设置数量可完成目标监测。

在本发明的其中一些实施例中，障碍物6的设定选用PVC管搭建框架，采用防水塑料布进行覆盖。障碍物6的形状、尺寸的选取参照实际11000m³立式储罐、200m³卧式储罐、园区办公大楼，按1：15的缩放比进行加工，尺寸为：立式储罐(半径r＝1m，高h＝2m)、卧式储罐(半径r＝0.4m，高h＝2m)、长方体(长2m×宽1m×高2m)。并且障碍物(6)参照真实化工园区中防火堤设置了围栏，尺寸为(长2m×宽0.5m×高1m)。

采用前述一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置进行实验，请参阅图3，具体操作步骤为：

1、将风速风向仪5与供气气瓶1平行放置，风速风向仪5连接数据采集模块10至工控机9，并连接电源；

2、气瓶1依次连接减压阀2、流量计3和止回阀4，并以管径6.5mm、长15m的气管11进行连接；

3、气管11出口放置于供气气瓶1顺风向中心线位置；

4、放置障碍物6于气管11出口一定距离的扩散区中心线上，垂直于射流方向，通过压实障碍物框架6进行固定；

5、单点式气体浓度传感器12固定在可调节三脚架8上，放置在障碍物6周围，并连接工控机9和电源，具体布设情况如图2所示；

6、气体红外检测仪7固定在可调节三脚架8上，调节高度以及角度，使气体红外检测仪7视野可覆盖整个实验装置；

7、检查所有仪器是否正常工作，同步所有仪器，记录气象站数据和记录条件，启动数据记录装置；

8、打开气瓶1上的阀门，气体泄放；

9、计时，泄漏时长60s；

10、等待气体扩散时长120s包括泄漏60s；

11、关闭阀门，关闭所有仪器，检查记录数据。

通过上述实验装置和实验步骤，实现了障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验研究。整套实验装置可重复使用且工况容易调控，可全面监测泄漏空间的气体浓度情况，根据研究需要可研究不同气体遇障碍物时的扩散规律以及不同障碍物对气体扩散的影响。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置，其特征在于，包括泄放系统和扩散监测系统；

所述泄放系统包括供气气瓶(1)、气管(11)、风速风向仪(5)、数据采集模块(10)和工控机(9)，气管(11)和供气气瓶(1)连通，气管(11)的出口位于供气气瓶(1)的顺风向位置并朝向扩散监测系统，所述风速风向仪(5)通过所述数据采集模块(10)和所述工控机(9)连接；

所述扩散监测系统包括障碍物(6)、气体红外热像仪(7)和多个单点式气体浓度传感器(12)，所述障碍物(6)位于气管(11)的出口的顺风向上，所述气体红外热像仪(7)用于监测整个监视区域的气体浓度，且所述气体红外热像仪(7)的所处高度可调，在所述障碍物(6)的周围设置有多个单点式气体浓度传感器(12)。

2.根据权利要求1所述的一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置，其特征在于，所述泄放系统还包括减压阀(2)，所述减压阀(2)设置在所述气管(11)上。

3.根据权利要求1所述的一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置，其特征在于，所述泄放系统还包括流量计(3)，流量计(3)设置在所述气管(11)上。

4.根据权利要求1所述的一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置，其特征在于，所述泄放系统还包括止回阀(4)，所述止回阀(4)设置在所述气管(11)上。

5.根据权利要求1所述的一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置，其特征在于，所述扩散监测系统还包括三脚架(8)，所述气体红外热像仪(7)固定在所述三脚架(8)上。

6.根据权利要求1所述的一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置，其特征在于，所述风速风向仪(5)与所述供气气瓶(1)平行设置。

7.根据权利要求1所述的一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置，其特征在于，所述障碍物(6)位于气管(11)的出口的顺风向中心线上。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置，其特征在于，在所述障碍物(6)的迎风面中心线、所述障碍物(6)的侧面以及所述障碍物(6)的背风面中心线上均分别设置有所述单点式气体浓度传感器(12)。

9.根据权利要求8所述的一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置，其特征在于，在所述障碍物(6)的迎风面中心线上纵向排布有3个单点式气体浓度传感器(12)，在所述障碍物(6)的侧面纵向排布有2个单点式气体浓度传感器(12)，在所述障碍物(6)的背风面中心线上纵向排布有2个单点式气体浓度传感器(12)，每个单点式气体浓度传感器(12)分别检测所处位置的气体浓度。

10.根据权利要求8所述的一种用于研究障碍物场景下泄漏气体扩散规律的实验装置，其特征在于，根据气体属性决定单点式气体浓度传感器(12)的间隔及设置高度。

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