多孔介质气体弥散系数测试实验系统开发_刘伟.pdf
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1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 7 期 2023 年 7 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.7 Jul.2023 收稿日期:2023-02-24 基金项目:国家自然科学基金项目(52074303);中国矿业大学(北京)“课程思政”示范课程建设项目(62911002)作者简介:刘伟(1985),男,安徽宁国,博士,副教授,学校网信中心主任助理,主要研究方向为矿井火灾防治、矿井瓦斯防治、地铁火灾及热环境控制,。通信作者:韩冬阳(1996),女,黑龙江七台河,硕士,在读博士,主要研究方向为矿井瓦斯防治,。引文格式:刘
2、伟,韩冬阳,张士显,等.多孔介质气体弥散系数测试实验系统开发J.实验技术与管理,2023,40(7):63-69.Cite this article:LIU W,HAN D Y,ZHANG S X,et al.Development of an experimental system for measuring gas dispersion coefficient in porous mediaJ.Experimental Technology and Management,2023,40(7):63-69.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:
3、10.16791/ki.sjg.2023.07.010 多孔介质气体弥散系数测试实验系统开发 刘 伟,韩冬阳,张士显,秦跃平,胡宇航,高 鹏(中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京 100083)摘 要:为将流体力学的弥散理论教学融入实际应用,研发了多孔介质气体弥散系数测试实验系统。通过该系统可向学生直观地演示弥散系数测定方法,以及无因次气体浓度与无因次弥散系数之间的变化规律。自主开发了多孔介质气体弥散模拟程序,通过对模拟结果进行拟合来确定弥散系数反演解析式,并结合实验测试数据,反演得到弥散系数具体数值。实验结果表明:注气点附近的无因次气体浓度最高,从注气点开始沿测定容器深部和两侧延
4、伸的方向,无因次气体浓度递减;随着无因次弥散系数的增大,气体混合均匀所需要的距离逐渐缩短;通过反演计算得到实验装置内多孔介质气体弥散系数为 0.001 647。关键词:多孔介质;气体弥散系数;教学实验;数值模拟 中图分类号:X936 文献标识码:B 文章编号:1002-4956(2023)07-0063-07 Development of an experimental system for measuring gas dispersion coefficient in porous media LIU Wei,HAN Dongyang,ZHANG Shixian,QIN Yueping,HU
5、 Yuhang,GAO Peng(School of Emergency Management and Safety Engineering,China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China)Abstract:In order to integrate the dispersion theory teaching in fluid mechanics into practical application,an experimental system for measuring the gas dispersi
6、on coefficient in porous media was developed.The experimental system can directly demonstrate the method of measuring the dispersion coefficient and the law between the dimensionless gas concentration and the dimensionless dispersion coefficient to students.The dispersion simulation program of porou
7、s media gas was independently developed,and the analytical formula of dispersion coefficient inversion was determined by fitting the simulation results.The specific value of the dispersion coefficient was obtained by inversion combined with the experimental data.The experimental results show that th
8、e dimensionless gas concentration is the highest near the gas injection point,and the concentration of dimensionless gas decreases from the injection point along the depth and sides of the measuring vessel.With the increase of the dimensionless dispersion coefficient,the distance needed for gas mixi
9、ng is shorter.The gas dispersion coefficient of the porous medium in the experimental device is 0.001 647 by inversion.Key words:porous medium;gas dispersion coefficient;teaching experiment;numerical simulation 在流体力学中,弥散效应是流体在多孔介质中流动的主要特征1。当流体存在流动时,示踪剂逐渐传播开并不断占有流动区域中越来越大的部分,超出了仅按平均流动所预计的占有区域,这种传播现象叫
10、做多孔介质中流体动力弥散2。气体在多孔介质中的运移方式有流动和弥散两种,流动可以由达西定律描述3,气体弥散问题的关键在于研究弥散系数4-5。目前,国内外学者对弥散系数做了大量研究。丁64 实 验 技 术 与 管 理 航航和丁坚平等人6建立了矿山堆场的一维流场弥散数学模型,并得到了纵向水动力弥散系数计算公式。张明泉7利用较大规格的渗流槽在室内进行了二维弥散实验,通过实验结果与解析解得出了纵向弥散度和横向弥散度。SAHIMI 等人8设计了二维多孔介质中水流速度和弥散系数实验,发现纵向弥散系数与水流速度并不成线性关系。ROMERO-GOMEZ 等人9通过层流状态下自来水轴向弥散实验,得到了修正的对流
11、-弥散-反应输运方程和轴向弥散系数计算公式。从上述研究可知,多数学者主要研究液体的弥散系数,而对于气体在多孔介质中的弥散系数研究较少。气体弥散系数在工程技术中应用广泛,煤自然发火防治、瓦斯灾害治理、煤层气抽采等工作均需计算气体浓度作为技术依据10-13,弥散系数的准确程度对工程技术的可靠性有很大影响。因此,研究多孔介质中气体弥散系数测定方法对优化工程技术应用效果具有重要意义。在传统的流体力学弥散理论教学过程中,主要采用多媒体课件或板书方式向学生演示弥散方程推导过程以及相关概念,缺乏动手实践环节,无法调动学生的学习热情,学生难以理解晦涩的流体力学弥散理论,整体教学效果较差。为了帮助学生掌握弥散理
12、论、培养学习兴趣,本文采用理论模型、程序模拟和实验测定三者相结合的方法,开发了一套多孔介质中气体弥散系数测定教学实验系统,模拟无因次气体浓度分布规律,依据模拟值得到弥散系数反演解析式,再结合实验测得的实际气体浓度,实现求得多孔介质中的气体弥散系数的功能。1 实验系统开发 1.1 多孔介质气体浓度测定实验装置 针对安全工程专业本科实验课程设置,根据真实环境多孔介质中流动气体弥散条件,自主开发了一套多孔介质气体浓度测定实验装置,该装置的模型图和实物图分别如图 1(a)和图 1(b)所示。图 1 多孔介质气体浓度测定实验装置模型图与实物图 该实验装置主要由通风单元、测定容器和注气单元三部分组成。通风
13、单元主要包括轴流式通风机、三通阀、流量表、风筒和导风漏斗,导风漏斗内设有三道分流孔板,可将风流调节为均匀风流,通风单元可调节的风速范围为 02 m/s。测定容器包括亚克力箱和角铁框架等,亚克力箱尺寸为 1 620 mm607 mm 130 mm。在亚克力箱内部装有破碎岩石作为多孔介质,亚克力箱顶板设有 1 个气样进气孔和 78 个气体采样孔,根据气体浓度变化规律,孔沿风流方向按照由密到疏的方式布置,箱体左右侧壁开有通风口。注气单元主要由高压气瓶、导气管和流量计组成,通过调节高压气瓶上的减压阀,使注气压力等于风流压力,可控制气体在垂直风向方向上的风速为 0。向测定容器通入气样时,导气管与气样进气
14、孔通过“花管”(侧壁开有一排小孔的管状结构)相连。“花管”使得注入亚克力箱的气源为一线状气源,作用是减小气体浓度在箱体厚度方向上的波动。此外,因风流速度与进气速度相同,随着时间的增加,测定容器内的气体浓度趋于保持不变,因而可将待测气体在测定容器内的弥散模型近似视为二维稳态模型。1.2 气体弥散无因次模型 1.2.1 多孔介质气体弥散无因次模型 选取测定容器为研究对象,以测定容器箱体底面左下角顶点为坐标原点,设沿测定容器深部延伸方向、宽度向上方向和高度向上方向分别为 x 轴正向、y 轴正向和 z 轴正向,建立三维直角坐标系。在测定容器内任取一个六面体微元,根据微元体内气体质量守恒及菲克定律,单位
15、时间内待测气体浓度变化量等于流入与流出微元体的待测气体质量差,建立气体弥散模型方程如下14:()()()xyzyxzEEEcccxxyyzzv cv cv ccxyzt+-|-=(1)式中:c表示进行多孔介质气体浓度测定实验时,实验装置内待测气体的体积浓度,%;Ex、Ey、Ez分别表示待测气体在测定容器 x、y、z 方向上的弥散系数,m2/s;vx、vy、vz分别表示测定容器 x、y、z 方向上的 刘 伟,等:多孔介质气体弥散系数测试实验系统开发 65 空气流速,m/s。假设:测定容器内的各物理量在测定容器高度方向上不发生变化;水平方向上的气体浓度不随时间变化;风流在测定容器y方向上的速度为
16、0(vy=0);Ex、Ey、vx为已知定值。则多孔介质气体弥散模型可简化为二维稳态模型,即式(1)可简化为:22220 xycccvEExxy-+=(2)式中:v表示空气渗流速度,m/s。式(2)为多孔介质气体弥散模型。预设无因次参数:无因次坐标 X、Y,无因次气体浓度 C,无因次气体弥散系数 E,无因次弥散系数比,如式(3)所示:,xyxxycXYCllAElvEEE=|=|=|(3)式中:x、y 分别表示横坐标和纵坐标;l 表示固定容器的边界长度,m;A 表示外界注入测定容器的待测气体体积浓度,%。引用式(3)中的无因次参数对式(2)进行无因次化,可得到多孔介质气体弥散无因次模型如下:22
17、220CCCvEEXXY-+=(4)1.2.2 测定容器的气体弥散无因次模型 选取测定容器注气孔右侧的长方体空间在水平方向投影的矩形区域作为气体弥散无因次模型的解算区域,设定解算区域的长度为l,宽度为2w,建立测定容器的气体弥散无因次模型,模型边界示意图如图 2所示。测定容器的 1边界为第一类边界条件,因进风流中几乎不含待测气体,故 1边界气体浓度值为 0;测定容器的 2和 3边界为第二类边界条件,气体弥散通量为 0;对于测定容器的 4边界,设想测定容器的边界长度l取足够大时,气体浓度在x方向的变化为0,将边界长度l取无限大,最后从解算结果中截取测定容器范围内的数据,即 4边界为第二类边界条件
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