计算流体力学模型的有效性验证试验

唐红飞 章志超（中国地质大学（武汉）工程学院,湖北 武汉 430074)

为验证计算流体力学模型（CFD）的有效性，国内外学者对此进行了大量的研究，总体可以概括为以下两种方法：一种是与经验模型对比；另一种是实验验证（现场实验和室内实验），国外早在20世纪70年代就开始进行了一系列大规模的现场实验，投入了大量的人力、物力、财力，不仅对环境造成破坏，而且受气象条件影响较大，不能重复实验；国内外室内较大空间的泄漏扩散实验也有很多，但实验室内进行经济、可重复性高的区域模拟实验较少。

1 实验设计

1.1 主要实验器材

构建简化模型，验证泄漏扩散后果与CFD数值模拟后果的符合情况。简化模型尺寸为1500×700×500（mm3），并用有机玻璃罩形成长方体密封扩散区域，其中活动插板用来模拟障碍物阻挡，底板为ABS 材质，边框/顶盖/活动插板为PMMA 材质，安装加工件为ABS材质。组装实验还需要以下部件，如表1-1所示：

表1-1 实验器材

1.2 实验方案

在装置设计过程中，考虑到隔板障碍物的尺寸，提前留好相应尺寸的缝隙。本次实验采用隔板来模拟障碍物，实验设计了四个隔板，其中两个位于较前面的位置，两个位于接近出风口的位置。采用七个超低功耗的二氧化碳传感器随时监控二氧化碳气体的泄漏扩散浓度。

为尽可能研究整个装置中二氧化碳气体的扩散情况，除二号传感器位于隔板的端面外，其他传感器位于装置底部且均匀地分布。为减少实验误差，传感器的布线尽可能贴着装置底部，不至于影响二氧化碳气体的扩散。

将传感器接到电脑的USB端口上，USB端口用驱动器进行转换，待气体数据采集软件接口确认接通后，即监控二氧化碳气体的浓度值。打开二氧化碳气瓶的阀门，通过阀门调节气体流速，并用流量计记录此时的流速大小，数据采集软件会自动记录任意时刻监测点位置二氧化碳气体的浓度，待浓度值变化较小，围绕一个数值波动，可停止本次实验，关闭阀门。

实验器材组装装置模型示例图如图1-1所示：

图1-1 装置模型示例图

1.3 实验步骤

第一步：按照实验方案要求组装好实验装置，打开数据采集软件并调试完毕；

第二步：在装置模型上选择一个7mm×7mm方形孔泄漏源，作为二氧化碳压力入口，经压力阀、压力计和流量计后在模型装置泄漏源处泄漏，泄漏模型实验数据检测系统如图1-2所示：

图1-2 泄漏模型实验数据监测系统

第三步：在试验开始时，先测量并记录初始状态下，模型中个监测点二氧化碳浓度值；

第四步：打开二氧化碳气瓶供气，以1秒为间隔记录各时间点的气瓶压力、二氧化碳流量、各二氧化碳浓度检测仪的浓度值等数据；

第五步：整理试验数据，获得各算例的风场风速、各时间点（含初始状态）的二氧化碳气瓶压力和二氧化碳流量、各二氧化碳浓度检测仪的浓度值等数据；

第六步：将装置敞开，待装置内二氧化碳消散后，改变二氧化碳泄漏的质量流量，重复上述实验，并记录各个监测点位置二氧化碳的浓度。

1.4 实验数据

本次实验采用改变二氧化碳泄漏质量流量的方法进行多次重复实验，通过数据采集软件记录实验数据，数据采集软件界面如图1-3。

图1-3 二氧化碳泄漏模型数据监测软件界面

2 实验误差来源

实验中误差是不可避免的，本次实验误差来源主要有以下三个方面：

2.1 室内空气流动会引起靠近出风口6、7 两个监测点的浓度波动；

2.2 装置模型中有空气的存在，空气中二氧化碳的浓度约为0.03%，会对各个监测点实际二氧化碳浓度值产生影响；

2.3 连接各个监测点与二氧化碳传感器的导线布置会影响对二氧化碳气体的扩散，造成浓度监测结果偏差。

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