氣體泄漏多維濃度場模擬裝置研制及教學應用

王金貴，郭 進，張 蘇，陽富強，施永乾

（福州大學 環境與資源學院，福建 福州 350116）

可燃氣體在密閉空間中泄漏具有爆炸危險，當意外泄漏時，通常先在局部聚集，然后逐漸擴散到整個密閉空間，且在擴散期間可燃氣體-空氣并非均勻分布，而是存在多維濃度梯度，此時如果出現點火源也可能會發生爆炸[1-4]。掌握可燃氣體泄漏過程中多維濃度梯度演化規律，對于可燃氣體泄漏監測傳感器的布局優化具有重要現實意義，同時也對分析和理解可燃氣體非均勻燃爆火焰及超壓特征具有指導意義。

“燃燒學”和“消防工程”課程中均涉及前述可燃氣體非均勻燃爆的知識點，但因氣體不可見、難感知，導致學生對其擴散行為及泄漏初期的多維濃度場特征等內容均較難理解[5-6]。相關專業的教師圍繞如何提高這2 門課程的課堂教學質量開展了不少研究[6-13]，但限于現有條件，學生仍無法很好掌握前述的抽象知識點。在現代大學“科教并重，全面育人”的要求下，既要積極推進科研，還應將科研成果通過案例形式融入課堂教學中，向學生更好地傳授新知識、新技能。高校教師將科研成果轉化為教學案例不僅可以豐富教學內容，而且可以充分發揮教師科研對教學的促進作用，提高學生創新思維與創新能力，更好滿足高校培育高素質創新人才的需要。

本文設計了一種氣體泄漏多維濃度場模擬裝置，通過多樣化的進氣方式模擬多類氣體泄漏場景，并利用大量氧氣傳感器實現氣體多維濃度場的構建。將可燃氣體泄漏過程中的多維濃度梯度演變規律應用于課程教學中，有效地提升了學生對相關知識的理解和掌握。

1 實驗裝置及流程設計

1.1 實驗裝置的設計

該裝置主要分為氣體泄漏模擬系統和多維濃度場構建系統。主體為一個封閉的矩形管道，總長度2 m（由兩節各1 m 組成），橫截面積為0.3 m×0.3 m，兩端均用盲板封堵，在兩側盲板上各布置有1 個球閥，如圖1 所示。

圖1 氣體泄漏多維濃度場模擬裝置示意圖（藍色方塊為氧氣傳感器）

氣體泄漏模擬系統主要通過管道頂部大量的注氣噴嘴和兩側盲板上的球閥實現。例如，管道頂部氣體的泄漏場景可由以下方式實現：每節管道頂部安裝有18 個外徑20 mm、內徑10 mm 的進氣噴嘴，這些噴嘴分三排等間距布置（見圖2），頂部的進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現差異化進氣流量及動力，配氣管通過多通閥與電磁閥連接后再與減壓閥連接，系統通過前置電磁閥實現自動化控制。城市綜合管廊中天然氣管道的泄漏場景可通過以下方式實現：加工一根長2 m 的帶有泄漏點的輸氣管，輸氣管兩端與兩側盲板的球閥連接，通過兩端球閥實現該破損輸氣管的輸氣模擬。管道端頭的氣體泄漏場景可通過以下方式實現：將管道一側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），通過這些球閥實現端頭泄漏的模擬。

圖2 管道頂部進氣噴嘴位置示意圖

氣體多維濃度場構建系統主要由管道內布置的大量氧氣傳感器組成（見圖1），在每節管道中等間距選擇四個截面（含一盲板），每個截面等間距懸掛15 個氧氣傳感器（見圖3），距離管道底部分別為25、87.5、150、212.5 和275 mm。假設管道中氣體僅由空氣和甲烷組成，則根據道爾頓分壓定律可根據氧氣體積分數確定可燃氣體（以甲烷為例）體積分數的空間分布：CCH4= (1 -CO2/20.9%) × 100%，其中CCH4和CO2分別是甲烷和氧氣的體積分數，20.9%是干燥空氣中氧氣的體積分數。

圖3 管道內某一截面氧氣傳感器位置示意圖

1.2 實驗流程

本裝置可為“燃燒學”和“消防工程”課程中的氣體擴散行為及氣體泄漏初期的多維濃度場特征等提供科研類教學案例，以管道頂部甲烷氣體泄漏情景模擬實驗為例（實驗管道見圖4），實驗流程如下：①利用盲板封堵管道兩端，關閉所有球閥，關閉電磁閥。將真空泵與任一球閥連接，并開啟該球閥，開啟真空泵將管道內負壓抽至–100 kPa 以下后，關閉球閥和真空泵。②開啟管道底部的全部球閥，向管道內注入干燥空氣至常壓。③按實驗需求調整各流量控制閥和減壓閥以控制各進氣噴嘴的甲烷注入流量及動力。④利用真空泵將90 L 的儲氣罐抽成真空，然后將甲烷填充至所需壓力，通過減壓閥調整進氣壓力。⑤開啟氧氣傳感器監測系統后，再開啟電磁閥，儲氣罐內甲烷氣體將通過噴嘴注入管道中，在上端注氣過程中，管道底部的排氣球閥一直處于開啟狀態，管道內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，同時關閉電磁閥和管道底部球閥，并關閉流量控制閥和減壓閥。⑦持續監測管道各空間位置的氧氣濃度，直至甲烷氣體擴散均勻。在每組實驗測試之前，均需使用干燥空氣徹底清潔管道。

圖4 實驗管道實物圖

2 實驗結果及其教學應用

2.1 甲烷濃度場演變規律

節1.2 實驗中，通過管道頂部所有注氣噴嘴（注氣流量和動力一致）在30 s 內持續向管道內泄露了宏觀體積濃度為10%的甲烷，因甲烷氣體擴散速度較慢，導致其在泄漏初期存在較大濃度梯度，而在非均勻情況下發生的燃爆特性與均勻預混燃爆有較大不同。

以右側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間的擴散演變規律，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，甲烷體積分數首先快速增加進入可燃性極限，然后超過爆炸上限，此后達到最大值，隨后逐漸降低并再次進入可燃性極限。在H為25 和87.5 mm 的管道下部，甲烷注入后的25 min 內，甲烷體積分數幾乎單調增加，最終達到10%的平均體積分數。管道中部位置（H= 150 mm）的甲烷體積分數先較快增加，然后穩定在10%的平均體積分數。在本裝置尺寸下，管道內甲烷經過25 min后才基本均勻。

圖5 管道各高度處甲烷體積分數變化規律

2.2 應用效果

將本文裝置運用到課程教學過程中，可以使學生更好地理解可燃氣體在泄漏初期時存在多維濃度場分布特征及其演變規律等知識點，為學生在“安全檢測與監控技術”中涉及的可燃氣體泄漏監測傳感器的布局優化提供具體思路，同時也對“燃燒學”和“消防工程”課程中分析和理解可燃氣體非均勻燃爆火焰及超壓特征具有指導意義。

3 結語

本文研制了一種氣體泄漏多維濃度場模擬實驗裝置，并以甲烷泄漏過程中的濃度梯度特征及其演變規律為例應用于課程教學中。該裝置明顯提升了學生對相關知識點的掌握程度，而且還培養了學生解決實際問題的能力。