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1、分类号密级T U 8 3单位代码学号1 0 6 1 8墨廑交通戈謦硕士学位论文论文题目：受限空间内燃气泄漏扩散规律实验研究E x p e r i m e n t a lS t u d yo nD i f f u s i o no fG a sL e a ki nL i m i t e dS p a c e研究生姓名：曾小燕导师姓名、职称：张甫仁教授申请学位门类：工学硕士专业名称：供热、供燃气、通风及空调工程论文答辩只期：学位授予单位：答辩委员会主席：评阅人：2 0 1 1 年4 月吴祥生吴祥生庄春龙重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究
2、工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：、镥小藩、日期：a 岫7 年年月莎日重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学
3、位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务(包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等)，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。学位论文作者签名：、曾小燕日期：粕I1 年r 4 月日指导教师签名：1 7 期：幽，7 年月嵋本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊(光盘版)电子杂志社C N K I 系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。学位论文作者签名：1 莴、卜爱誓、日期：o 岫I 年年月歹日将黼签名：绍鬻陟1 1，9日期：们l1 年幺月t S 同摘要荆必栏fY 19 0 斟。馑。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
4、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
5、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M a t I a b 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J 下输出(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 0 0 1 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C F D 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C F D 软件的一种f l
6、u e n t，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f l u e n t 的前处理器G a m b i t 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。关键词：燃气泄漏扩散模型；多因素耦合；神经网络预测；相似理论；C F D 模拟1 A B S T R A C TB a s e do ns i m i l a r i
7、 t yt h e o r ya n dd i m e n s i o nh a r m o n yt h e o r y,T e s tp l a t f o r mf o rl e a kd i f f u s ea n dl e a kl o c a t i o nf o r e c a s t i n gi sf o u n d e d T h ep i l o tm o d e lf o rg a sl e a kd i f f u s ei sc r e a t e d，w h i c hm u l t i p l ef a c t o r sc o u p l i n g(t e
8、 m p e r a t u r e，h u m i d i t y,w i n ds p e e d，l e a kr a t e lw en e e dap r e d i c t i v ev a l u eo fs p a c ed i m e n s i o nt i m es e r i e sd i m e n s i o no ft i m et oa m e n dt h ef o r e c a s tr e s u l t s S p e c i f i cm e t h o d so fo p e r a t i o n：T h ef i r s ts t e pa c
9、 r o s st h em o u t ho fc o l l e c t i n gg a sp a r a m e t e r s；t h es e c o n ds t e pt h eu s eo ft r a c e rt e c h n o l o g y,t h eg a sl e a k a g ea n dd i f f u s i o nm e c h a n i s mo fq u a n t i t a t i v er e s e a r c h；t h et h i r ds t e po fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t
10、e mt h r o u g ht h el i n eM o n i t o r i n ga n dA c q u i s i t i o nm o d e lt e s ta r e am e a s u r i n gp o i n to fe a c hg a sc o n c e n t r a t i o n，t h r o u g ht r i a la n dd a t aa n a l y s i sa n di n t e g r a t i o n，t h ef i n a ls t a t i s t i c so ft h eg a si nt h el i m i
11、 t e ds p a c ean u m b e ro ff a c t o sa f f e c t e dt h ep r o l i f e r a t i o no fr u l e s D u et Ot h el i m i t so ft e s tc o n d i t i o n，w ec a no n l yg a t h e rl i m i t e dp a r a m e t e r,f o rt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ef a c t o r st h a ta f f e c t i n gg a sd i f f
12、 u s i o ni si n t r i c a t en o n l i n e a rr e l a t i o n F o rt h i sp r o b l e m，w ec a na p p l yn e u r a ln e tf o r e c a s t i n gm o d e lt of o r e c a s t i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fo t h e rp o i n t s B a s e do nt h eM a t l a bp l a t f o r m，t h en e u r a ln e tf o r
13、 e c a s t i n gm o d e lf o rt h er e l a t i o no fc o n c e n t r a t i o nb e t w e e nl e a k，t e m p e r a t u r e，h u m i d i t ya n dw i n ds p e e d T h en e u r a ln e tc o n t i n u o u s l yc h a n g et h ew e i g h t sa n dt o p o l o g i c a ls t r u c t u r et oa m e n dt h eo u t p u
14、 tb yt r a i n i n go fe x p e r i m e n td a t ao ft h es a m p l e I ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e，c o m p u t a t i o nf l u i dm e c h a n i c ss o f t w a r eC F Dt h a ti su s u a l l yu s e dt or e s o l v ep r o b l e m sa b o u tf l u i da n dh e a tt r a n s f e r,t h i sp a p e ra
15、 d o p t saf l u e n tC F Ds o f t w a r ei nt h em u l t i f a c t o rc o u p l i n go fg a sc o n d i t i o n st os i m u l a t et h el e a k a g e，t h ee x p e r i m e n tg e o m e t r i cm o d e lo fb e n c h，t h e nf l u e n tg a m b i tb e f o r ei t sm e s hp r o c e s s o r c o m b i n e dw
16、i t ht e s tc o n d i t i o n sg i v e nb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n di n i t i a lv a l u e s，s i m u l a t i o ns o l u t i o nf o rd i f f e r e n ti n i t i a lc o n d i t i o n so ft h eg a sd i f f u s i o nl a w,c o m et od i f f e r e n ts p a c ep o i n to nt h eg a sc o n c e n t
17、r a t i o nd i s t r i b u t i o n；t h ei m a g eo ft h eo b j e c t i v ep e r f o 珊a n e eo ft h ed i f f u s i o no fg a sl e a k，w h i c ht h ee f f e c t i v ei m p l e m e n t a t i o no fe m e r g e n c yr e l i e fw o r kw i l lh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c e K E YW O R D S：D i f f u
18、 s i o nm o d e lo fg a sl e a k；M u l t i f a c t o rc o u p l i n g；N e u r a ln e t w o r k；S i m i l a r i t yt h e o r y；C F Ds i m u l a t i o n目录第一章绪论11 1 研究背景l1 2 国内外研究现状21 3 气体扩散影响因素的分析41 3 1 泄漏源51 3 2 大气稳定度51 3 3 相对湿度51 3 4 气体密度51 3 5 地形、地貌61 4 课题的研究内容和实施方案61 4 1 研究内容61 4 2 实施方案61 5 研究中可能遇
19、到的难点71 6 预期目标7第二章相似原理与模型试验92 1 物理现象相似的判定92 2 相似准数的选择1 02 2 1 重力相似j 1 02 2 2 黏性力相似1 02 2 3 压力相似1 12 3 相似理论基本定理112 3 1 相似第一定理1 l2 3 2 相似第二定理1 22 3 3 相似第三定理1 22 4 因次分析法1 32 4 1 乃定理(又称巴金汉法)1 32 4 2 瑞丽法1 42 5 力学模型的确定1 4第三章燃气泄漏扩散的实验室模型构建1 63 1 试验台架介绍1 63 1 1 模型试验区1 73 1 2 通J x L 调节系统1 83 1 3 数据采集系统1 93 2
20、燃气泄漏扩散模型中相似关系的确定2 13 2 1 试验方案2 13 2 2 方案的实施2 l3 2 3 泄漏扩散关系中的相似关系2 23 2 4 模拟设备和仪器使用情况2 33 2 5 定量试验过程2 4第四章燃气泄漏扩散模型3 14 1 回归分析3 14 1 1 多元线性回归的数学模型3 14 1 2 拟合优度检验3 24 2 多因素耦合作用下泄漏扩散多元回归分析3 34 3 燃气泄漏扩散方程的推导3 54 4 燃气泄漏扩散方程的验证3 9第五章神经网络预测模型4 15 1B P 神经网络结构4 25 2B P 神经网络算法4 35 3 神经网络设计4 65 4 多因素耦合作用下燃气泄漏扩散
21、B P 网络的建立与M a t l a b 实现4 65 4 1 隐含层神经元个数的确定4 75 4 2 网络训练函数的确定4 95 5 神经网络模型的仿真应用5 5第六章天然气泄漏扩散的数值模拟5 96 1 数值计算方法的引出5 96 1 1 实验室研究5 96 1 2 理论研究5 96 2 燃气泄漏扩散数值模拟理论和方法6 06 2 1 质量守恒方程6 06 2 2 动量守恒方程6 06 2 3 能量守恒方程6 26 3 湍流数学模型的建立6 26 4 湍流模型的选择6 36 5 模型的离散和计算方法6 56 5 1 控制方程的离散6 56 5 2 微分方程中加了对流项的处理情况6 76
22、6 确定计算方法6 86 6 1 压力和速度耦合问题的解决6 86 6 2S I M P L E 算法的实现7 06 7F L U E N T 数值模拟7 16 7 1G a m b i t 建模与网格划分7 l6 7 2 燃气泄漏速率的确定7 36 7 3 湍流参数的确定7 46 7 4 边界条件7 56 8 模拟结果7 66 9 模拟值与实测值的比较7 86 1 0 误差分析7 9第七章结论和展望8 07 1 结论8 07 2 对后续工作的展望8 0致谢8 1参考文献8 2附录8 5附表A 8 5附表B 8 7攻读硕士学位期间发表的论著及取得的科研成果8 9第一章绪论第一章绪论1 1 研究
23、背景近年来，随着我国天然气开发和利用飞速发展，城市燃气管输系统越来越发达，管网系统越来越复杂，我国的安全生产形势十分严峻，工业灾害和事故的发生已成为社会、经济发展的前提制约因素1 1J；如2 0 0 9 年4 月2 2R，重庆九龙坡区燃气管破裂，3 小时泄漏万方天然气；2 0 1 0 年1 0 月l 同，湖北潜江发生天然气泄漏事故，泄漏点为J I I 气东送工程管道阀室，泄漏燃气迅速扩散，笼罩了整个村落，迫使6 9 1 名村民冒雨大转移；2 0 1 0 年1 月1 0 同长春发生燃气泄漏造成1 2 人中毒，就2 0 1 0 年宁波就发生了1 6 起大大小小的燃气泄漏，造成了一定程度的人员伤亡，
24、泄漏事故频频发生，不仅影响到城市燃气的正常供应，还严重的影响到人们的生命财产安全，造成环境污染和资源浪费，产生严重的社会后果与巨大的经济损失【2 1，墨西哥弯在世界的能源格局中占据着重要的地位，因为富产原油，也是管道泄漏事故的多发地带，2 0 1 0 年5 月美国墨西哥湾原油泄漏事件就引起了国际社会的高度关注，位于墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台发生爆炸并引发大火，大约3 6小时后沉入墨西哥湾，1 1 名工作人员死亡。钻井平台底部油井自2 0 1 0 年4 月2 4日起漏油不止。事发半个月后，各种补救措施仍未有明显突破，沉没的钻井平台每天漏油达到5 0 0 0 桶，海上浮油面积在2 0 1 0
25、 年4 月3 0 日统计的9 9 0 0 平方公里，由于堵漏措施没有得到有力的效果，这一统计数据是在进一步扩张。直到目前油污的清理工作还在继续且耗时将近1 0 年。墨西哥湾在长达1 0 年的时间罩将成为一片废海，造成的经济损失将以数干亿美元计，墨西哥弯像这样的重大泄漏已不是第一次，据资料显示1 9 9 2 年墨西哥城就发生燃气泄漏大爆炸，造成5 0 0 多人死亡，7 0 0 0 多人受伤，像这样的事故真是多不胜数；据M o n t i e lH e l e n a 对M H I D A S数据库资料的整理发现，在涉及到天然气的1 8 5 起事故中，输运事故1 3 l 起，占天然气总事故次数的7
26、 0 8，管输事故1 2 7 起，占总事故次数的6 8 6，占输运事故的9 6 9；据有关资料报道，全球由于安全事故造成的经济损失相当于全世界国民生产总值的4。随着天然气工业的快速发展，产量和消费量不断增加，它们在我国一次能源生产和消费结构中所占的比重将会发生变化1 3】，2 0 0 3 年我国天然气的产量占一次能源生产结构的2 8，消费量占一次能源消费结构的2 7，预计在2 0 2 0 年，天然气的产量在能源生产结构中所占的比重将上升到6 1，而消费量在一次能源消费结构中占8 7，而有直接超过煤的消费量的趋势1。由于天然气事故的发生是一个概率事件，不可能完全杜绝，也是多种因素综合作用的结果(
27、如管道腐蚀、自然灾害、施工破坏等)，各种因素之间的相互作用具有非线性特性。如何对事故进行有效地分析和预防，一直是安全学科所面临的重大课题。2第一章绪论燃气在给人们的生活和生产带来极大方便的同时，也由于其易燃、易爆、易泄漏的特性，也给人们的生产生活带来了极大的安全隐患。对不同的气象条件、地形条件、环境条件的扩散机理的掌握现在仍然是出于不断探索中的问题。有害物质，特别是易于扩散的气、液有害物质发生泄漏后，将在较大范围内扩散，对环境产生污染，导致火灾、爆炸和中毒等重大事故，严重危害人们的生命安全与健康。燃气在人们的生产和生活，国家的经济发展中占据如此重要的作用，频发的燃气泄漏事故也让人们认识到燃气输
28、配安全的重要性1 5J，在近二十年，人们对安全工程上做了很多的研究探索和实际的相关措施应用，但燃气泄漏事故率仍然是保持的一定的水平，并没有得到有效的控制或降低，究其原因主要有以下方面【6】：燃气泄漏事故的响应与定位不够及时和准确；燃气在试验空间的传播机理人们掌握的还不太全面；因此，为了最大程度上使这样的安全隐患降到最低，必须要对燃气各方面的性质充分的了解，也就是说必须要对这样的有毒物质在泄漏时的监控预警技术与如何实施应急救援(应急疏散)进行研究。对气体有害物质的泄漏进行实验室研究，得出多因素耦合作用下燃气的泄漏扩散规律，为气体有害物质泄漏的预警预报和应急提供相关理论参数，从而保证企业的安全生产
29、。第一章绪论3质气体扩散的高斯模型1 1 I。高斯模型提出大概是1 9 7 2 年，由于其提出时间较早，实验数据多，因而较成熟。而且模型简单，易于理解，运算量小，计算结果与实验值能较好吻合。但高斯模型未考虑重力影响，而且也未考虑地形、地貌的影响，是在开阔平原上试验所得，所以高斯模型只适用于平原丌阔地区轻质气体或与空气密度相差不多的气体的扩散；而对于一些地貌复杂或者是受限空间的情形，则需要对高斯模型进行修正【1 2】【1 3 1。高斯模型分为烟羽模型和烟团模型，气体泄漏分为连续泄漏和瞬时泄漏，一般对泄漏时间大于半小时的归类于连续泄漏，对连续泄漏源泄漏的描述高斯用的是高斯烟羽模型，而对泄漏时问小于
30、扩散时间的用的是烟团模型n4 1。烟羽模型的浓度分布计算式如下：如彤：彘e 蚓2P 一互lI z 吒-h 2+2 lI ie 呸+,-,J。式(1 1)C 气体的体积分数；Q-一泄漏源的泄漏速率，m 3 s5h 泄漏源的有效源高；X，Y，z 某点的坐标值；u Y y 方向的气体扩散系数；仃z z 方向气体的扩散系数；在平原开阔地带，气体的在垂直底面方向的扩散会遭遇大气的边界层，这一边界层是较稳定的逆温层，气体扩散到边界层的时候会被反射回来，这样燃气就被控制在底面和大气边界层之间，对于这样的扩散称为封闭的烟团扩散，封闭的烟团扩散浓度表达式如下：如舻川2 研2 M 丽唧 爿譬珊。塞 e x p 一
31、圭半+e x p 一i 1 M 气体的泄漏总量，m 3；n 气体在底面和大气边界层之间的反射次数；t 扩散时间；，一忆，一D 一2 一等二G 一4第一章绪论u x 方向的气体扩散速度，m s；卜逆温层到底面的高度，m；其他的参数意义与式(1 1)相同。在我国，”八五”及”九五”期间相继开展了对危险源泄漏过程系统模型的研究工作，到目前为止，对高架排放源的研究较多，而对地面源，特别是管道意外释放源的研究确实很少。而且对燃气泄漏的研究工作主要表现在以下方面：无限大空间的稳态扩散过程；是在有限空间内发生微量长时间泄漏的过程；段卓平n 5 1 对易燃、易爆、有毒的重大危险源和泄漏物扩散进行了分析，并对不
32、同复杂地形条件下关键点的有害物浓度的时空分布进行了计算。丁信伟n 印以板块模型为基础，对危险性气体的扩散进行了数值模拟，并设计了简易风洞，对重气体在不同的泄放条件下进行了多次定常风洞扩散试验，以验证模型的正确性。方自虎n 铂在模型试验的基础上，以标准K 一湍流计算模型为基础数值模拟了带有燃气管道的共同沟中燃气泄漏后的浓度分布。李岳n 刚等基于F l u e n t 软件的组分输运模型对受限空间内的燃气泄漏扩散进行了数值模拟，得到了可燃性气体的时空分布，考虑了室内微风情况对燃气泄漏传播机理的影响，；长启平u 们利用经典的扩散模型，介绍了神经网络仿真的基本方法。杜建科在板块模型、盒子模型及高斯模型
33、的基础上，分析了连续泄漏和瞬时泄漏两种类型的特点及其扩散规律，提出状态以及第一章绪论5气体本身的状态如密度，气体本身的泄漏温度等影响，气体在在内外因素的共同作用下，发生扩散、运移、形成相应的浓度场和危险区域。1 3 1 泄漏源对于天然气管道的泄漏扩散，多数情况并不是一个稳定的泄漏状态，当天然气管道发生大孔泄漏一定时间后，由于天然气气源的影响，天然气的泄漏可能看成是稳定的泄漏，而当天然气管道发生泄漏的初期，由于泄漏孔的存在造成管网内的压力产生较大的波动，势必较大的影响到泄漏速率，这一段时问内的泄漏必定是非稳态的，当发现燃气存在泄漏，气源被自动或人为的切断后，天然气管道的泄漏将呈现泄漏率逐渐降低直
34、至停止的过程，天然气管道内残留的天然气也将逐渐的泄漏扩散出来，而对于这一动态泄漏过程，目前的研究还没有对浓度的分布得到合理可靠的分析，而本文在实验室可控的条件下建立燃气的动态泄漏扩散模型以得出相对合理的空间燃气浓度分布。1 3 2 大气稳定度大气稳定度是评价空气层垂直对流程度的指标。大气越稳定，泄漏气云越不易向高空消散，而贴近地表扩散；大气越不稳定，空气垂直对流运动越强，泄漏气云消散得越快；风速、风向是影响天然气泄漏扩散的一个重要因素，不同的风速、风向影响下，燃气泄漏的流场和浓度场也定将不同；气温、太阳辐射强弱等主要是通过影响大气垂直对流运动而对泄漏气体的扩散发生影响。1 3 3 相对湿度空气
35、相对湿度的提高，湿空气的黏度也会相应提高，则大气相对湿度大是不利于泄漏气云的扩散。1 3 4 气体密度泄漏气体密度相对于空气密度的大或小，分别表现出在扩散中以重力作用或以浮力作用为主；重力作用导致其下降，地面浓度增加，下降趋势会因空气的不断稀释作用而减弱；浮力作用在泄漏气体扩散初期导致其上升，地面浓度降低，被空气不断稀释后其上升的趋势减弱；对于泄漏的高温气体，其浮力作用大小受温度的影响，当其被冷却至大气温度后，浮力作用便会丧失。6第一章绪论1 3 5 地形、地貌地面的地形、地物会改变泄漏气云扩散速度，又会改变扩散方向。地面低洼处泄漏气云团易于滞留；建筑物、树木等会加强地表大气的湍流程度，从而增
36、加空气的稀释作用，而开阔平坦的地形、湖泊等则正相反；在低矮的建筑物群、居民密集处或绿化地带泄漏气云不易扩散；高层建筑物则有阻挡作用，气云会从风速较大的两侧迅速通过。了解了各种因素对气体扩散的影响，有利于建立气体泄漏扩散模型，并进一步预测泄漏气体扩散的危险区范围，更好的把握气体泄漏扩散规律，为制定良好的应急措施起到很好的帮助作用。1 4 课题的研究内容和实施方案1 4 1 研究内容运用相似理论，神经网络建立多因素(温度、风速、大气稳定度、)耦合作用下的受限空间燃气的泄漏扩散模型，并在实验室条件下改变环境条件，通过对各个测点的浓度在线监测，对实验泄漏扩散模型进行实验模拟研究；运用C F D 技术对
37、各个试验条件进行C F D 模拟，在得到相关数据的基础上，运用相关理论对数据进行统计、整理、分析，最终得出多因素耦合作用下受限空间的燃气泄漏扩散规律；为控制和降低燃气泄漏危险性，对更有效的制定燃气泄漏应急预案提供理论依据和参考。1 4 2 实施方案此试验分为定性试验和定量试验两部分，从定性与定量两方面对燃气在试验空间以及多因素耦合作用下的泄漏扩散规律。首先要根据相似理论的要求搭建合适的试验台架，使其满足几何相似，运动相似与动力相似，这样可以保证试验模型与实物之间能保持完全相似的物理条件；在试验台架的搭建过程中还要考虑通风系统，温度调节系统与传感器测点如何布。置与可实现问题。再次对于试验数据的采
38、集和在线监测，此方面的知识与计算机程序联系较紧密，属于跨学科问题，解决办法是用C 语言编程实现数据采集，再使用组态软件实现数据变化的可视化。第一章绪论7由于实验条件有限，只能监测到空间有限个点的浓度变化值，而对于分析燃气在受限空间内扩散受各因素影响的变化规律，能已知更多的点的浓度值对本试验的分析是有利的，鉴于此，本文建立合适的神经网络模型对其它点的浓度变化值进行预测，训练神经网络模型一方面可以丰富试验数据，另一方面也可对相似的空间内燃气的泄漏扩散做预测。最后在确定了模型中的相似关系后，运用相似准则和量纲分析理论课得出燃气泄漏扩散模型，再依据试验的定量研究最终可确定燃气在多因素作用下的泄漏扩散规
39、律。1 5 研究中可能遇到的难点由于在建模过程中，需要考虑的因素(温度、湿度、风速、大气稳定度、地貌、地表粗糙度、受限空间)很多，也没有现成的模型可以直接借鉴，因此，在建模过程中需要对模型进行多次修正，使其尽能可能的能对真实的泄漏扩散机理进行描述；由于在各个测点的燃气浓度是又传感器读取，再通过数据采集器将传感器传来的信号输送到在线监测系统，那么对传感器的精度和可允许的误差范围以及在线监测系统对数据处理的准确性是本文首要要解决的问题；建立动态的神经网络预测模型，由于测点数据有限，需要尽可能多准备供神经网络训练的样本和测试样本；运用C F D 软件对在试验条件下燃气扩散情况进行数值模拟研究时，几何
40、模型的建立以及合理的网格划分，方程的离散，边界条件的选取，另外对材料物性参数的设定，结果的后处理等等，对这些问题解决的是否得当，直接影响着本文研究结果的准确性，因为如果建立的试验模型是发散的时候，C F D 的模拟研究可以给试验研究确定一个大致的方向；模型验证；对试验模型的验证，是此篇论文难点的重心；其模型的准确性也直接关系到此模型研究的使用价值，因此，运用合理的数学模型，科学的手段以及有效的对数据信息进行高效率的整理是关键，特别是运用相似理论对模型结果进行有效广，以实现此模型试验的目的，这毫无疑问是最需要解决的核心问题；1 6 预期目标建立多因素(温度、湿度、风速)耦合作用下的受限空间燃气的
41、泄漏扩散模型；应用数据在线检测分析技术研究燃气在试验空间范围内的浓度分布及扩散速率；8第一章绪论建立神经网络预测模型，可以动态的预测当泄漏率、温度、湿度、风速等变化时，测点处燃气浓度随时间的变化：应用C F D 软件能模拟求解燃气在试验环境条件下泄漏的扩散过程；试验结果能经得起数学模型的分析；第二章相似原理与模型试验9第二章相似原理与模型试验相似原理(s i m i l a r i t yp r i n c i p l e)与量纲分析(d i m e n s i o n a la n a l y s i s)的理论形成于1 9 世纪末到2 0 世纪初；它是科学地设计试验，整理试验数据、运用试验
42、成果、发展试验技术的理论依据乜1。相似原理是在物理领域中建立数学模型的一种方法，它在经验和实验的基础上利用物理定律的量纲齐次原则，在相似理论的指导下，这两种方法的结合可以有效的减少实验次数的同时又能获得具有通用性的规律；一般西法那个国家采用量纲分析较多，而苏联的科学家则在相似原理的发展上做出了重要贡献。模型试验则是在相似原理指导下的实验性质的模拟研究，相似原理是模型设计和试验的理论基础心引。2 1 物理现象相似的判定相似是人们常遇到的概念，最常见的是指几何相似，即两个几何图形的对应边成比例，对应的角都相等；相似的概念可以推广到物理现象中去；对于两个同类的物理现象，如果在相应的时刻及相应的地点与
43、现象有关的物理量一一对应成比例，则此两现象彼此相似。对于非稳态问题，则要求在相应的时刻各物理量的空间分布相似。简单的说就是各物理量的大小成比例，且向量物理量的方向相同。流动相似是几何相似的推广；流动相似具有三个特征，或者说要满足三个条件，即：几何相似，运动相似，动力相似。其中几何相似是流动相似的前提，它是指流动的空间相似，任意相应的线段保持一定的比例，两线段的夹角保持相等；动力相似它是指两流动的同名力(例如重力、黏性力、压力、惯性力、弹性力等)作用，相应的同名力成比例，它是流动相似的保证；运动相似是指两流动的相应流线几何相似，即相应点的流速大小成比例，方向相同，它是几何相似与动力相似的表现形式
44、。可见，模型试验的最终目的是保证运动相似，动力相似是运动相似的保证，而几何相似是力学相似的前提。物理现象相似的数学表述可如下表示【2 3】：设某一现象，共与n 个物理量有关，以X 口(a=1,2，甩)表示，现象序号为B(B=1,2，N)。若现象相似，则应有：z 筇。c 筇x a l式(2 1)一个现象中，如果确定m 个因变量，就必须有m 个方程，以构成完整的或闭合的方程组。设变量满足方程组：D 工 1，x 2，x 一，)=0犯=1,2，朋)式(2 2)1 0第二章相似原理与模型试验一般连续的介质力学、热学现象范围内都属于这类方程，称为相对型方程；对于有N 个性质相似的现象，其中每个现象都由下列
45、变量构成：l 卢，x 2 卢，x。卢)=1,2，)；i t n,j 面三个为自变量：“卢，X 2#，X r#)，其余m=n r 个为因变量：r+1)卢，t，+2)卢，X n 芦，并且这些变量满足方程组：D(X l 卢，X 2 芦，x。卢，)=0但一1,2，J，1)式(2 3)只要存在相似变换：x 筇2c 筇X 口1=1,2，以；卢=1,2，)式(2 4)则这N 个现象构成了相似现象。2 2 相似准数的选择通常，一个物理现象中的各个物理量不是单个独立的，而是与其他物理量之间相互影响、相互制约的；对于两个相似的流动现象，由于动力相似的条件，相应的同名力成比例，即既一毛吒毛一=-一=一=一=一互m
46、吃式中：V、P、G、l、E 分别表示粘性力、压力、重力、惯性力、弹性力；角标n、m 分别表示原型和模型。根据动力相似的定义，可以推导出一系列的相似准则数，包括偶欧拉数、弗诺得数、雷诺数等；两个物理现象相似则同名准则数相等。2 2 1 重力相似重力作用下的相似流动，弗诺德数F r 一定相等。弗诺德数F r 的物理意义是惯性力与重力之比的平力根，即：罂_ 一V 2；n：告式(2 6)面厂2 歹卜面烈乙弗诺德数是表征重力对流动影响的相似准则，弗诺德数相等就是重力作用的相似。适用范围：重力起主要作用的流动，如堰坝溢流、孔口出流、明槽流动、紊流阻力平方区的有压管流与隧洞流动等。2 2 2 黏性力相似黏性
47、力相似准则又称雷诺(0 R e y n o l d s)相似准则，对黏性力作用下的相似第二章相似原理与模型试验流动，其雷诺数一定要相等；它对燃气泄漏扩散的运动赋予了极强的限制。雷诺数R e 的物理意义是惯性力与黏性力之比，即：R e；坐；，；丝式(2 7)，p适用范围：主要受水流阻力即粘滞力作用的流体流动，凡是有压流动，重力不影响流速分布，主要受粘滞力的作用，这类液流相似要求雷诺数相似：另外，处于水下较深的运动潜体，在不至于使水面产生波浪的情况下，也是以雷诺数相等保证液流动力相似；如层流状态下的管道、隧洞中的有压流动和潜体绕流问题世奇a2 2 3 压力相似对压力作用下的相似流动，其欧拉数一定相
48、等。欧拉数是指流体压力和惯性力的比值，即：E u；三式(2 8)肛适用范围：一般，两液流的雷诺数相等，欧拉数也相等；两液流的弗汝德数相等，欧拉数也相等；只有出现负压或存在气蚀情况的液体，才需考虑欧拉数相等来保证液流相似。在相似准则数中还有斯特劳哈尔数甜，马赫数M a 等，由于与本文做的试验关系不大，所以不在此赘述；建立相似准则的途径心们：对己建立微分方程描述的问题，根据方程和相似条件建立-4 N r X 准则；对未建立微分方程的问题，根据影响流动过程的物理参数通过量纲分析导出相似准则；对于本文的模型试验而言，其属于是未建立微分方程的问题，所以用第二种方法通过量纲分析来推导。2 3s N t I
49、=：,t 理论基本定理2 3 1 相似第一定理相似第一定理阐明：对于相似现象，其同名相似准则数必定相等，即相同名称的相似准则准数分别相等。对于N 个同类相似现象，它们服从相对型方程：1 2第二章相似原理与模型试验D L(，等；矿2 伊，f-1 w)=0式(2 9)p o2,6 0“月矗O对于起始现象，上述方程如下：D 工(丑，垫，鱼；，咻1)1)=0式(2 1 0)工l l O 工2 1 0 豇1 0，从相似变换的定义式：-止可知下面等式是成立的4 甜04 口1 0万1 垆=石m=i d e m，万2 垆=万2 l l=i d e m，万(z，一1)芦一万z，一1)l=i d e m式(2 1
50、 1)上式中万为相似现象的测量参数所组成的同名特征数，称为相似准则。“彼此相似的现象，同名准则数必定相等”；相似第一定理又称为相似正定理，它指出了实验时应该测量哪些量的问题；严格地说，判定两个流动是-不相似，应该满足相似第一定理。即所有对应的同名准则数应该相等；换句话说，除包括几何相似与运动相似之外，还应包括作用于流体上的所有外力相似；但实际上同时满足所有的外力相似是不可能的；对于某个具体的流动来说，虽然同时作用着各种不同性质的外力，但总有一种或两种外力起主要作用，它们决定着流体的运动状态；因此，在模型实验中，只要使主要外力满足相似条件，或主要的相似准则相等，这个实验就可进行下去。2 3 2