115-受限空间SF6气体自然填充扩散特性的数值模拟.pdfVIP

受限空间SF 气体自然填充扩散特性的数值 6 模拟 1 西安建筑科技大学 王龙涛 张莹 黄虹 黎宇伟 李安桂 摘要：SF 气体具有优良的灭弧性能和绝缘性能以及良好的化学稳定性，从60 年代中期 6 起，开始被广泛用作高压电气设备的绝缘介质。然而，由于SF6 相对密度大，易在工作区发 生沉降，导致作业人员缺氧窒息，对人员的生命和健康产生严重的威胁。本文采用数值模拟 的方法，对受限空间内SF6 自然填充过程不同泄漏速率、泄漏角度的扩散特性进行了研究， 得到了各种工况下污染物浓度的时空分布规律，对比分析了不同工况下SF6 浓度的时空分布 特点。对电力设备使用过程的防护通风技术的设计具有一定的参考意义。 关键词：重气 负浮力 扩散特性 浓度分布 1 引言 六氟化硫（SF6 ）是一种惰性气体，化学性质稳定，作为绝缘材料广泛应用于大容量变 压器和高压电缆中。常温常压下SF6 的密度约为空气的5 倍，是一种典型的重质气体（重气）。 由于其相对密度大的特点，在扩散过程中由于重力的作用将向地面方向下降，并沿地面扩散、 [1] 积聚，特别是在存在障碍物的受限中难以被稀释，易于造成作业人员缺氧窒息 。 从 20世纪 60年代开始，就相继出现了诸如高斯模型、BM模型、FEM3模型等数学模 型预测重气。随着CFD技术的发展，三维数值计算已经被广泛应用于到重气扩散研究的领域。 Ricciardi等[2]基于IRSN 的通风室内六氟化硫扩散实验，利用CFX进行相应的数值模拟研究， 发现室内空气流速越大，模拟和试验之间的吻合度越令人满意。Dong等[3]对大型建筑物内的 气体泄漏进行全尺寸实验和数值模拟，发现标准standard k-ε模型和SST k-ω模型在呼吸区域 表现出最佳的预测性能，并发现不同的模型在不同的区域具有不同的预测性能，而Xing等[4] 在进行的二氧化碳实验则发现，泄漏量越低，CFD预测的浓度分布越准确。本文通过实验验 证了数值模型的可靠性，进而采用CFD技术，对不同泄漏速率、泄漏角度下的扩散规律进行 了研究分析。 2 研究方法 2.1 基本实验 参考某水电站主变室，建立试验台如图1，模型尺寸为1.1 m×1.0 m ×1.23 m （长×宽× 高）的长方体，在模型中心设置有大小为0.5 m×0.4 m×0.5 m 的高台，长方体下部有两处尺 寸为0.1 m×0.08 m 的开口，距底面0.02 m 。实验系统由模型、气体释放系统和数据采集系 统组成，其中型泵吸式六氟化硫检测仪，量程范围为0-500ppm，检测精度1%。测点位置如 表1，泄露源释放强度为20 mL/min 。 张莹，陕西省西安市雁塔路13 号，邮编710055 zhangying@xauat.edu.cn 图1 试验台模型 1-六氟化硫气瓶；2-减压阀；3-玻璃转子流量计；4-输气软管；5--下部风口； 6-泄漏口；7-仪器探头；8-六氟化硫定量检测仪 表1 测点位置 位置 X （m ） Y （m ） Z （m ） 测点 A1 0 0.5 0.055 A2 0 0.5 0.25 A3 0 0.5 0.5 2.2 数值模拟 2.2.1 控制方程 描述重气泄漏扩散过程的基本方程包括质量、动量、能量和组分输运方程，所有微分方 [5] 程可以表示为 ：