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《昆明理工大学》 2008年
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高原山区地形条件下城市重气泄漏风洞实验与数值模拟

张朝能  
【摘要】:城市人口和建筑物密集,重气一旦在城市发生泄漏事故,将会造成巨大的损失。虽然近年来人们对重气造成的危害非常重视,进行过重气扩散过程的数值模拟和风险分析,但在高原气候条件下还未开展过城市重气泄漏扩散的风洞实验和数值模拟方面的工作。高原山区城市由于地面粗糙度大,气压又较低,其扩散行为有其独特的一面,开展这方面的研究十分必要。 本文以高原山区城市——云南省个旧市区为研究对象,在个旧市区局地流场特征研究中,以小球测风法观测了现场不同高度的风速,得出不稳定、中性和稳定条件下的风廓线指数分别为0.518、0.594、0.615,首次在高原山区城市发现了高风廓线指数。以1:1000的比例制作个旧市城区及周边地区模型,采用现场风廓线的观测结果调整风洞流场,通过调节速度分布器、布置粗糙元段和调整风栏,发现通过调整断面尺寸为1cm×1cm和2cm×2cm木杆的高度和疏密可快速使风廓线指数达到目标值,将中性条件下的高风廓线指数还原到了风洞实验中,偏差小于3.4%。布置不同间隔的测点考察不同地形下的风速变化情况,实验结果表明,由于个旧复杂的地形和密集的建筑群,使得同一高度下各测点的风速和不同测点的风廓线指数存在较大的差异,通过分析下风轴线上的风场特征,结果表明过山气流和地物的粘滞等作用对流场的影响较大。开发了一个快速分析示踪剂氟利昂12含量的气相色谱分析方法,峰高的定量效果略好于峰面积的。以氟利昂12为示踪剂,采用扇形布点的方法对下风向不同点位采样分析,发现某一风速即危险风速下重气浓度出现最大值,进一步研究结果表明,危险风速下的宏观粘滞系数也出现最大值,并可以通过多项拟合求出此危险风速为0.121m/s。重气泄漏可采用本次研究工作自制的由烟机和缓冲箱等组成的风洞发烟装置形象地显示其扩散过程。由于泄漏口下风向地势逐渐向下倾斜,因此,下风向的横风向重气浓度出现偏态分布,最高浓度出现在偏离下风轴线且地势较高的一侧。重气浓度在下风向0.5m以后随下风距离的变化趋缓,在下风向同一地面点随高度增加而减小,0.02m高度以上重气浓度随高度的变化趋于平缓。 本文提出了气相流动和扩散的控制微分方程,给出了三种较为常用的湍流流动模型,通过分析比较,采用Realizableκ一ε双方程湍流模型,运用SIMPLE方法为基础的控制容积法对控制微分方程进行离散化,选取中性条件下的风廓线指数作为边界条件,并对离散化方程进行求解。流场和浓度场模拟结果与风洞实测结果吻合得良好,说明本文建立的模拟重气流动和扩散的数值模型和算法是适合高原山区地形条件的。对影响重气扩散过程的大气压强和大气温度对扩散过程的影响进行了分析,模拟结果表明,对于泄放质量流率等其他条件不变的情况下,标准大气压下的重气浓度比高原地区大气压810hPa下的低6.2%~24.7%,平均低18.6%,0℃时的重气浓度比23.5℃时的低6.9%~8.9%,平均低8.2%。
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