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(zhì)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(nèi)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(jīng)驗模型對比；另一種是實驗驗證（現(xiàn)場實驗和室內(nèi)實驗），國外早在20世紀70年代就開始進行了一系列大規(guī)模的現(xiàn)場實驗，投入了大量的人力、物力、財力，不僅對環(huán)境造成破壞，而且受氣象條件影響較大，不能重復實驗；國內(nèi)外室內(nèi)較大空間的泄漏擴散實驗也有很多，但實驗室內(nèi)進行經(jīng)濟、可重復性高的區(qū)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(shù)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(qū)域，其中活動插板用來模擬障礙物阻擋，底板為ABS 材質(zhì)，邊框/頂蓋/活動插板為PMMA 材質(zhì)，安裝加工件為ABS材質(zhì)。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(jiān)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(qū)動器進行轉(zhuǎn)換，待氣體數(shù)據(jù)采集軟件接口確認接通后，即監(jiān)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(diào)節(jié)氣體流速，并用流量計記錄此時的流速大小，數(shù)據(jù)采集軟件會自動記錄任意時刻監(jiān)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(shù)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(shù)據(jù)采集軟件并調(diào)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(jīng)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(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)如圖1-2所示：

圖1-2 泄漏模型實驗數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

第三步：在試驗開始時，先測量并記錄初始狀態(tài)下，模型中個監(jiān)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(shù)據(jù)；

第五步：整理試驗數(shù)據(jù)，獲得各算例的風場風速、各時間點（含初始狀態(tài)）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(shù)據(jù)；

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

1.4 實驗數(shù)據(jù)

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

圖1-3 二氧化碳泄漏模型數(shù)據(jù)監(jiān)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(nèi)空氣流動會引起靠近出風口6、7 兩個監(jiān)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(jiān)測點實際二氧化碳濃度值產(chǎn)生影響；

2.3 連接各個監(jiān)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(jiān)測結果偏差。

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