气体泄漏多维浓度场模拟装置研制及教学应用

王金贵，郭 进，张 苏，阳富强，施永乾

（福州大学 环境与资源学院，福建 福州 350116）

可燃气体在密闭空间中泄漏具有爆炸危险，当意外泄漏时，通常先在局部聚集，然后逐渐扩散到整个密闭空间，且在扩散期间可燃气体-空气并非均匀分布，而是存在多维浓度梯度，此时如果出现点火源也可能会发生爆炸[1-4]。掌握可燃气体泄漏过程中多维浓度梯度演化规律，对于可燃气体泄漏监测传感器的布局优化具有重要现实意义，同时也对分析和理解可燃气体非均匀燃爆火焰及超压特征具有指导意义。

“燃烧学”和“消防工程”课程中均涉及前述可燃气体非均匀燃爆的知识点，但因气体不可见、难感知，导致学生对其扩散行为及泄漏初期的多维浓度场特征等内容均较难理解[5-6]。相关专业的教师围绕如何提高这2 门课程的课堂教学质量开展了不少研究[6-13]，但限于现有条件，学生仍无法很好掌握前述的抽象知识点。在现代大学“科教并重，全面育人”的要求下，既要积极推进科研，还应将科研成果通过案例形式融入课堂教学中，向学生更好地传授新知识、新技能。高校教师将科研成果转化为教学案例不仅可以丰富教学内容，而且可以充分发挥教师科研对教学的促进作用，提高学生创新思维与创新能力，更好满足高校培育高素质创新人才的需要。

本文设计了一种气体泄漏多维浓度场模拟装置，通过多样化的进气方式模拟多类气体泄漏场景，并利用大量氧气传感器实现气体多维浓度场的构建。将可燃气体泄漏过程中的多维浓度梯度演变规律应用于课程教学中，有效地提升了学生对相关知识的理解和掌握。

1 实验装置及流程设计

1.1 实验装置的设计

该装置主要分为气体泄漏模拟系统和多维浓度场构建系统。主体为一个封闭的矩形管道，总长度2 m（由两节各1 m 组成），横截面积为0.3 m×0.3 m，两端均用盲板封堵，在两侧盲板上各布置有1 个球阀，如图1 所示。

图1 气体泄漏多维浓度场模拟装置示意图（蓝色方块为氧气传感器）

气体泄漏模拟系统主要通过管道顶部大量的注气喷嘴和两侧盲板上的球阀实现。例如，管道顶部气体的泄漏场景可由以下方式实现：每节管道顶部安装有18 个外径20 mm、内径10 mm 的进气喷嘴，这些喷嘴分三排等间距布置（见图2），顶部的进气喷嘴用气管按需求连接并由若干流量控制阀和减压阀实现差异化进气流量及动力，配气管通过多通阀与电磁阀连接后再与减压阀连接，系统通过前置电磁阀实现自动化控制。城市综合管廊中天然气管道的泄漏场景可通过以下方式实现：加工一根长2 m 的带有泄漏点的输气管，输气管两端与两侧盲板的球阀连接，通过两端球阀实现该破损输气管的输气模拟。管道端头的气体泄漏场景可通过以下方式实现：将管道一侧盲板上的若干氧气传感器替换为球阀（两者的螺纹是相同的），通过这些球阀实现端头泄漏的模拟。

图2 管道顶部进气喷嘴位置示意图

气体多维浓度场构建系统主要由管道内布置的大量氧气传感器组成（见图1），在每节管道中等间距选择四个截面（含一盲板），每个截面等间距悬挂15 个氧气传感器（见图3），距离管道底部分别为25、87.5、150、212.5 和275 mm。假设管道中气体仅由空气和甲烷组成，则根据道尔顿分压定律可根据氧气体积分数确定可燃气体（以甲烷为例）体积分数的空间分布：CCH4= (1 -CO2/20.9%) × 100%，其中CCH4和CO2分别是甲烷和氧气的体积分数，20.9%是干燥空气中氧气的体积分数。

图3 管道内某一截面氧气传感器位置示意图

1.2 实验流程

本装置可为“燃烧学”和“消防工程”课程中的气体扩散行为及气体泄漏初期的多维浓度场特征等提供科研类教学案例，以管道顶部甲烷气体泄漏情景模拟实验为例（实验管道见图4），实验流程如下：①利用盲板封堵管道两端，关闭所有球阀，关闭电磁阀。将真空泵与任一球阀连接，并开启该球阀，开启真空泵将管道内负压抽至–100 kPa 以下后，关闭球阀和真空泵。②开启管道底部的全部球阀，向管道内注入干燥空气至常压。③按实验需求调整各流量控制阀和减压阀以控制各进气喷嘴的甲烷注入流量及动力。④利用真空泵将90 L 的储气罐抽成真空，然后将甲烷填充至所需压力，通过减压阀调整进气压力。⑤开启氧气传感器监测系统后，再开启电磁阀，储气罐内甲烷气体将通过喷嘴注入管道中，在上端注气过程中，管道底部的排气球阀一直处于开启状态，管道内原有的部分空气将从底部被上方甲烷挤出。⑥在注气气完成后，同时关闭电磁阀和管道底部球阀，并关闭流量控制阀和减压阀。⑦持续监测管道各空间位置的氧气浓度，直至甲烷气体扩散均匀。在每组实验测试之前，均需使用干燥空气彻底清洁管道。

图4 实验管道实物图

2 实验结果及其教学应用

2.1 甲烷浓度场演变规律

节1.2 实验中，通过管道顶部所有注气喷嘴（注气流量和动力一致）在30 s 内持续向管道内泄露了宏观体积浓度为10%的甲烷，因甲烷气体扩散速度较慢，导致其在泄漏初期存在较大浓度梯度，而在非均匀情况下发生的燃爆特性与均匀预混燃爆有较大不同。

以右侧盲板处中部的甲烷浓度梯度为例。图 5为该位置不同高度处的甲烷浓度随时间的扩散演变规律，可直观看出不同管道高度处的甲烷浓度变化特征有较大差异。假定甲烷-空气混合物的爆炸下限（LFL）和爆炸上限（UFL）分别为5%和15%，在H为212.5 和275 mm 的管道上部，甲烷体积分数首先快速增加进入可燃性极限，然后超过爆炸上限，此后达到最大值，随后逐渐降低并再次进入可燃性极限。在H为25 和87.5 mm 的管道下部，甲烷注入后的25 min 内，甲烷体积分数几乎单调增加，最终达到10%的平均体积分数。管道中部位置（H= 150 mm）的甲烷体积分数先较快增加，然后稳定在10%的平均体积分数。在本装置尺寸下，管道内甲烷经过25 min后才基本均匀。

图5 管道各高度处甲烷体积分数变化规律

2.2 应用效果

将本文装置运用到课程教学过程中，可以使学生更好地理解可燃气体在泄漏初期时存在多维浓度场分布特征及其演变规律等知识点，为学生在“安全检测与监控技术”中涉及的可燃气体泄漏监测传感器的布局优化提供具体思路，同时也对“燃烧学”和“消防工程”课程中分析和理解可燃气体非均匀燃爆火焰及超压特征具有指导意义。

3 结语

本文研制了一种气体泄漏多维浓度场模拟实验装置，并以甲烷泄漏过程中的浓度梯度特征及其演变规律为例应用于课程教学中。该装置明显提升了学生对相关知识点的掌握程度，而且还培养了学生解决实际问题的能力。