受限空间内燃气泄漏扩散规律实验研究

论文摘要

本文以相似理论和量纲和谐理论为指导,在实验室布置了燃气管网模型,搭建了模拟燃气泄漏扩散规律的综合试验台架,根据研究目的,为了方便模拟天然气在泄漏后的扩散机理,本试验就以天然气作为实验气体,通过反复的试验和数据分析,最后建立在实验室条件下,受多因素耦合(温度,湿度,风速,泄漏率)作用影响的燃气泄漏扩散方程。具体的操作方法：第一步采集燃气泄漏口两端的燃气参数(压力、流量等)；第二步运用示踪技术,对燃气泄漏扩散机理进行定量的研究；第三步通过数据采集系统在线监测采集模型试验区内各个测点的燃气浓度,通过反复试验和数据分析整合,最后统计出燃气在受限空间内受多个因素影响的扩散规律,推导出燃气泄漏扩散方程。由于影响燃气泄漏扩散的各个因素之间是非常复杂的非线性关系,而且燃气泄漏口的泄漏率受泄漏压力的影响很大,所以是一个动态泄漏问题,对于这种非线性耦合问题,本文同时构建神经网络预测模型,对燃气泄漏的扩散机理进行动态预测,以Matlab软件为平台,建立浓度与泄漏量、温度、湿度、风速之间关系的神经网络预测模型,神经网络通过对实验数据样本的学习训练,不断改变网络的连接权值和拓扑结构,从而达到修正输出(浓度)的目的,模型的预测值和实测值之间的误差能控制在0.001数量级范围。在实际工程应用中,对流体流动和传热方面的问题,多数时候会用到计算流体力学CFD软件,它在处理这方面的问题的时候表现出很大的优越性,本文采用CFD软件的一种fluent,对燃气在多因素耦合(温度,湿度,风速,泄漏率)条件下的泄漏进行模拟,通过fluent的前处理器Gambit建立三维几何模型,并进行网格划分,结合实验条件给定边界条件和初始值,模拟求解出不同初始条件下的燃气泄漏扩散规律和不同空间点上的燃气浓度分布图,这对试验数据的可靠性提供参考。为了验证本文建立的燃气泄漏扩散模型的正确性,本文选用合适的试验数据对结果进行多个方面考证,以达到完善数学模型的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 气体扩散影响因素的分析
• 1.3.1 泄漏源
• 1.3.2 大气稳定度
• 1.3.3 相对湿度
• 1.3.4 气体密度
• 1.3.5 地形、地貌
• 1.4 课题的研究内容和实施方案
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 实施方案
• 1.5 研究中可能遇到的难点
• 1.6 预期目标
• 第二章 相似原理与模型试验
• 2.1 物理现象相似的判定
• 2.2 相似准数的选择
• 2.2.1 重力相似
• 2.2.2 黏性力相似
• 2.2.3 压力相似
• 2.3 相似理论基本定理
• 2.3.1 相似第一定理
• 2.3.2 相似第二定理
• 2.3.3 相似第三定理
• 2.4 因次分析法
• 2.4.1 π定理（又称巴金汉法）
• 2.4.2 瑞丽法
• 2.5 力学模型的确定
• 第三章 燃气泄漏扩散的实验室模型构建
• 3.1 试验台架介绍
• 3.1.1 模型试验区
• 3.1.2 通风调节系统
• 3.1.3 数据采集系统
• 3.2 燃气泄漏扩散模型中相似关系的确定
• 3.2.1 试验方案
• 3.2.2 方案的实施
• 3.2.3 泄漏扩散关系中的相似关系
• 3.2.4 模拟设备和仪器使用情况
• 3.2.5 定量试验过程
• 第四章 燃气泄漏扩散模型
• 4.1 回归分析
• 4.1.1 多元线性回归的数学模型
• 4.1.2 拟合优度检验
• 4.2 多因素耦合作用下泄漏扩散多元回归分析
• 4.3 燃气泄漏扩散方程的推导
• 4.4 燃气泄漏扩散方程的验证
• 第五章 神经网络预测模型
• 5.1 BP神经网络结构
• 5.2 BP神经网络算法
• 5.3 神经网络设计
• 5.4 多因素耦合作用下燃气泄漏扩散BP网络的建立与Matlab实现
• 5.4.1 隐含层神经元个数的确定
• 5.4.2 网络训练函数的确定
• 5.5 神经网络模型的仿真应用
• 第六章 天然气泄漏扩散的数值模拟
• 6.1 数值计算方法的引出
• 6.1.1 实验室研究
• 6.1.2 理论研究
• 6.2 燃气泄漏扩散数值模拟理论和方法
• 6.2.1 质量守恒方程
• 6.2.2 动量守恒方程
• 6.2.3 能量守恒方程
• 6.3 湍流数学模型的建立
• 6.4 湍流模型的选择
• 6.5 模型的离散和计算方法
• 6.5.1 控制方程的离散
• 6.5.2 微分方程中加了对流项的处理情况
• 6.6 确定计算方法
• 6.6.1 压力和速度耦合问题的解决
• 6.6.2 SIMPLE算法的实现
• 6.7 FLUENT数值模拟
• 6.7.1 Gambit建模与网格划分
• 6.7.2 燃气泄漏速率的确定
• 6.7.3 湍流参数的确定
• 6.7.4 边界条件
• 6.8 模拟结果
• 6.9 模拟值与实测值的比较
• 6.10 误差分析
• 第七章 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 对后续工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附表A
• 附表B
• 攻读硕士学位期间发表的论著及取得的科研成果