本发明属于安全技术领域具体，具体涉及一种重气泄漏扩散模拟及抑制控制试验系统。
背景技术：
重气诸如二氧化碳、液化天然气(LNG)等，因其特殊用途得到广泛应用，增长迅速。但这种气体发生泄漏，蒸气沿地表扩散，会造成一定的危害，甚至引发爆炸。研究重气扩散特点以及如何抑制泄漏扩散影响范围，降低危害后果，控制泄漏扩散风险，成为保障安全的关键问题之一。
根据对国内外现行的重气泄漏扩散研究装置的调研发现，国内外研究在重气泄漏扩散研究还远远不够。所涉及的国内外主要的专利有以下几项。
中国专利CN104297424A公开了一种重气泄漏水幕抑制实验方法，实验装置包括泄放系统、水幕系统、数据采集系统及控制系统，其中泄放系统包括重气储罐、重气泄放罐、惰性气体气瓶、泄放喷头；水幕系统包括水输入管线、水幕喷嘴；所述数据采集系统包括信号处理器、热电偶、甲烷浓度检测仪、风速仪、湿度计、高速摄像机；重气储罐通过管线与重气泄放罐相连，重气泄放罐通过泄放管线与泄放喷头相连，水输入管线一端设有水幕喷嘴，水幕区域内设有监测点阵列，所述监测点通过数据线与数据采集系统相连，数据采集系统通过数据线与控制系统相连。该套实验装置用于进行重气泄漏水幕抑制实验。
中国专利CN104318623A涉及一种重气接收站泄漏及燃爆事故模拟展示方法，主要解决现有技术中没有考虑重气接收站复杂环境因素对扩散爆炸的影响、没有进行严格的模拟计算的问题。该发明通过采用一种重气接收站泄漏及燃爆事故模拟展示方法，用户通过登录重气接收站泄漏及燃爆事故模拟展示平台，查看不同事故场景下重气泄漏扩散及爆炸影响范围，根据对事故的判断及模拟展示结果，规划合理的逃生路线；所述重气接收站泄漏及燃爆事故模拟展示平台包括重气接收站三维模型、可信的重气接收站泄漏及燃爆事故场景、基于CFD计算的泄漏及燃爆计算结果、触摸屏的技术方案较好地解决了上述问题，可用于重气接收站泄漏及燃爆事故模拟展示中。
中国专利CN104989956A一种撬装式重气站场重气泄漏扩散抑制应急装备，包括可移动式撬装底座，可移动式撬装底座上设置有泡沫混合液桶和氮气钢瓶，氮气钢瓶和泡沫混合液桶通过氮气输送管路相连，泡沫混合液桶上方设置有高倍数泡沫发生器，泡沫混合液桶通过泡沫混合液输送管与高倍数泡沫发生器连通，高倍数泡沫发生器的后端安装有防爆鼓风机，防爆鼓风机与移动电源相连，移动电源设置在可移动式撬装底座上。本发明可应用于重气加气站、重气接收站、液化工厂、重气调峰站、液化石油气等场所，在重气站场发生大面积泄漏后可立即投入使用，产生高倍数泡沫以抑制重气液池中蒸气云的蒸发扩散，降低蒸发率，避免造成更严重的次生灾害。
中国专利CN102879305A重气泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台及其实验方法，包括由重气储罐、绝热管道、实验装置、防爆隔离墙组成的实验系统；由电子天平、点火系统、甲烷浓度检测仪、热电偶树、数据采集器、摄像机组成的测试系统和由PLC控制系统、各类显示仪表和控制阀门组成的控制系统。通过对可换装表面材料和调整角度的重气表面蔓延实验装置的设计，可进行重气在不同物质表面和流淌速度下蔓延、气化扩散的实验模拟；配合点火系统和甲烷浓度检测仪，实现重气气云浓度变化监测以及气云点火，并自动进行数据和图像采集。该平台具有实验时间短费用低，实验效率高等优点。采用本设计实验步骤少且在严格监测和控制下保障实验安全，操作简便，实验可重复性高。
以上专利技术，均对重气泄漏扩散进行了研究和设计。以上各专利，在应用于控制重气泄漏扩散危害技术研究时存在以下问题：
(1)以上各专利均可对重气泄漏扩散气云分布、爆炸燃烧特性进行研究，但并不能有效控制自然环境条件，模拟不同的自然环境。
(2)以上专利主要用于研究单一情况下重气泄漏扩散，没有形成通用小型实验平台，可对不同抑制应急技术下重气泄漏扩散特性以及作用机理进行模拟研究。
技术实现要素：
本发明为了解决现有技术存在的无重气泄漏扩散及控制研究小型实验平台且无保证环境参数稳定问题，提出了一种重气泄漏扩散模拟及抑制控制试验系统，本发明可模拟各类重气泄漏扩散实验，具有多变量可单独控制、可远程控制、数据自动采集、实验时间短、实验可重复性高、费用低、安全性高的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种重气泄漏扩散模拟及抑制控制试验系统，包括实验风洞、重气加注与回收机构、抑制控制单元以及数据采集单元，所述重气加注与回收机构向实验风洞内加注重气，并回收低温液体，所述实验风洞内设置有自然环境模拟单元，以调节实验风洞内的自然环境参数，注入的重气在实验风洞内经过抑制控制单元进行的水幕控制测试、高倍泡沫控制测试和/或障碍物测试后，其控制效果经设置在实验风洞下游的监测点阵列获得，通过数据采集单元进行采集与保存。
优选的，所述重气加注与回收机构，包括重气储罐、低温液体泄漏收集池和低温液体回收罐，所述重气储罐设置有出口管路连通实验风洞，向其泄露重气，低温液体泄漏收集池设置于实验风洞的下端，用于回收低温液体，回收的低温液体经过管线流入低温液体回收罐内。
优选的，所述重气储罐上设置有流量计、压力表和/或液位计，以测量重气储罐的状态、重气泄漏量。
优选的，所述低温液体泄漏收集池底部设置有加热器，所述加热器下方设置有质量天平，以测量重气蒸发率。
优选的，所述抑制控制单元，包括设置于实验风洞内的泡沫控制测试模块、水幕控制测试模块和障碍物控制模块，所述泡沫控制测试模块具体包括泡沫发生器，经高倍泡沫发生器产生的高倍泡沫经发泡筒引入实验风洞，以模拟测试泡沫控制过程；
所述水幕控制测试模块，包括供水管线和水幕喷头，所述水幕喷头设置于实验风洞的顶部，向实验风洞内喷射水幕，以模拟测试水幕控制过程；
所述障碍物控制模块，包括设置于实验风洞的障碍物，以模拟测试障碍物控制过程。
当然，所述抑制控制单元的测试模块可以在测试时一起投入使用，也可以针对具体情况进行组合使用或单独投入使用，这种简单的组合和替换是本领域技术人员能够根据本发明的工作原理直接得到的，理应属于本发明的保护范围。
其次，所述障碍物的形式可以为多种，如围堰、高墙等，且其可以根据具体的测试环节或是否需要测试障碍物控制效果设计成可升降结构、位置可变或可拆卸结构，如可升降的高墙结构，或者实验风洞内设置活动固定机构与其相配合，以达到灵活组装、拆卸的效果，这些改进或变动均为本领域技术人员能够容易想到的，理应属于本发明的保护范围。
另外，所述泡沫发生器的泡沫液、泡沫液流量压力、引风量、喷头和滤网形式，可以根据待模拟的泡沫控制具体状况进行调整，以制造出不同的发泡倍数、破裂率、尺寸、覆盖性能的高倍泡沫，这种选择与替换是本领域技术人员在本发明的工作原理启示下容易想到的。
优选的，所述自然环境模拟单元，包括设置于实验风洞内的温度调节器、湿度调节器、辐射调节器和/或风速调节器，以构造不同温度、湿度、风速或辐射情况下的自然环境。
所述温度调节器为加热器或制冷设备，以实现调节温度的作用。
所述湿度调节器为加湿器等设备。
所述辐射调节器为辐射板等设备。
所述风速调节器为变频风机等设备。
当然，上述设备均可以根据实验风洞的具体大小、形状和待模拟的情况、参数要求进行灵活替换，该替换为本领域技术人员容易想到的。
进一步的，所述的实验风洞测试段截面为矩形，便于实验装置的安装；测试段透明，便于实验现象的观察与数据记录；测试段带旋转升降平台，可以对液池位置进行高度、相对角度调整。
当然，本领域技术人员完全能够在本发明的基础上，将实验风洞的具体形状、尺寸、长度等参数进行调整，属于简单替换。
优选的，所述实验风洞的顶部设计为浮顶，以模拟不同种类重气在大气近地面边界层中的蒸发扩散。
优选的，所述监测点的数量、排列方式可调，且监测点设置有热电偶、气体浓度检测仪，各个监测点的检测信号汇集到信号处理器进行数据的记录并保存，并连接到控制终端，实时显示各监测点物理参数的变化。
优选的，所述监测点处还设置有图像采集模块、湿度计、温度计、风速仪或/和温度计，以记录采集实验影像资料和气象数据，并将其采集的数据通过数据采集单元传输给控制终端。
优选的，高倍泡沫施加到低温液体上形成冰冻层，通过电锯将重气冰冻层提取，通过常压水解法得到冰冻层含气量，而后抽取气体通过色谱仪分析气体组分。
优选的，各路管线上均设置有调节阀门。
优选的，所述控制终端控制该试验系统的各个传感器和测试仪，以对其数据进行智能调节和控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的适用范围广泛，可用来进行多种情况或环境下的模拟研究，具体包括：
(1)重气在不同自然环境下泄漏扩散
不同自然环境(温度、湿度、辐射、风速)下重气泄漏后蒸气浓度与分布不同，本装置温度、湿度、辐射、风速可控，在自然环境和抑制手段不同时，通过通用实验风洞系统的可视段对重气、低温液体气化过程产生的气云图像进行观察，通过测量系统和数据采集及处理系统对实验数据进行分析，即可对不同自然环境下重气泄漏扩散行为进行研究。
(2)高倍泡沫控制重气泄漏扩散危害原理
调节影响泡沫性能的重要参数，分析不同性能高倍泡沫与泄漏源、重气之间的交互作用，记录描述现象，测量相关参数，追踪物质能量去向，进行机理研究，建立数值模拟，实现标准建立、设计优化。
(3)水幕控制重气泄漏扩散危害原理
调节影响水幕性能的重要参数，分析不同性能水幕与泄漏源、重气之间的交互作用，记录描述现象，测量相关参数，追踪物质能量去向，进行机理研究，建立数值模拟，实现标准建立、设计优化。
(4)障碍物抑制重气泄漏扩散危害原理
改变障碍物形状、尺寸、位置，分析不同障碍物与泄漏源、重气之间的交互作用，记录描述现象，测量相关参数，追踪物质能量去向，进行机理研究，建立数值模拟，实现标准建立、设计优化。
2、本发明通过同一个通用风洞实验系统对各种泄漏形状尺寸位置、自然环境、地形、控制技术情况下重气的泄漏扩散进行可控、量化模拟实验，且通过氧气浓度传感器实现不同被检测物质的测量，节约了研究成本；
3、本发明通过通用风洞实验系统透明矩形试验段可对重气气化过程产生的气云分布情况、各个抑制技术施加过程以及施加后现象进行观察，通过测量系统和数据采集及处理系统对实验数据进行分析；
4、该装置中通过通用风洞实验系统将重气控制在固定可控空间内，剩余重气、泄漏源回收控制排放，大大提高安全性，由可移动监测点阵列将无色气云可视化，得到重气泄漏源下游气云的温度、浓度与分布；
5、本发明实现了对细微现象的观察与数据提取，如冰冻层、加速气化现象；本装置中所述的通用实验风洞系统带旋转升降平台，可以对泄漏源位置进行灵活方便的高度、相对角度调整。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的结构示意图；
其中：1-风洞；2-重气储罐；3-低温液体泄漏收集池；4-低温液体回收罐；5-水幕喷头伸入孔洞；6-发泡筒伸入孔洞；7-质量天平；8-湿度调节器；9-温度调节器；10-辐射调节器；11-风速调节器；12-辅助加热器；13-水幕水管线；14-重气加注管线；15-低温液体回收管线；16-重气放空管线；17-色谱仪；18-重气加注阀门；19-重气加注流量计；20-低温液体回收阀门；21-重气放空阀门；22-风速仪；23-湿度仪；24-高速摄像机；25-普通摄像机；26-泄漏下游监测点阵列；27-液位计；28-储罐压力表；29-刻度尺；30-监测点阵列；31-湿度控制信号；32-温度控制信号信号；33-辐射控制信号；34-风速控制信号信号；35-泄漏地形控制信号；36-蒸发率接收信号；37-监测点阵列接收信号；38-风速接收信号；39-湿度接收信号；40-高速图像接收信号；41-普通图像接收信号；42-控制终端。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如附图1所示，一种重气泄漏扩散及控制研究实验平台，包括通用实验风洞系统、重气加注与回收系统、控制技术测试实验系统、辅助加热系统、数据采集与处理系统。本发明模拟分析LNG在不同泄漏尺寸形状位置、温度、湿度、风速、辐射以及主动与被动控制技术(障碍物(围堰、高墙)、水幕、高倍泡沫)下影响蒸发率以及泄漏扩散蒸气温度、浓度与分布的关键因素、影响程度，微小细节的观察提取分析(诸如泡沫破裂过程)，追踪物质能量去向，进行机理研究，建立数值模拟。
当然重气的成分可以为其他，如二氧化碳。
所述重气加注与回收系统包括重气储罐2、低温液体泄漏收集池3、低温液体回收罐4、加注管14、回收管15；所述控制技术测试实验系统包括高倍泡沫控制测试部分、水幕控制测试部分、障碍物控制部分，在本装置中只预留出各个控制测试部分的孔洞，实验时将控制技术其他组件与预留孔洞连接即可进行实验。所述高倍泡沫控制测试部分预留孔洞为发泡筒伸入孔洞6。所述水幕控制测试实验部分预留孔洞为水幕喷头伸入孔洞5。所述数据采集装置包括刻度尺29、监测点阵列30、高速摄像机24、普通摄像机25、质量天平7、色谱仪17，其中监测点阵列包括热电偶、氧气浓度检测仪；所述的控制系统包括温度、湿度、辐射量、风速、压力、流量等显示仪表以及各类控制阀门、显示仪器。
重气储罐通过泄漏管线释放进入试验段，对于低温液体则将重气储罐(低温液体储罐)与低温液体泄漏收集池相连，低温液体泄漏收集池通过回收管线与低温液体回收罐相连，高倍泡沫发生装置与发泡筒相连，水输入管线一端设有水幕喷嘴，测试区域下游根据需要设有可调节监测点阵列，所述监测点通过数据线与数据采集系统相连，数据采集系统通过数据线与控制系统相连。
重气存储在绝热低温的重气储罐2中，储罐上装有压力表28、液位计27、流量计19，用来监视重气储罐的状态、重气泄漏量；低温液体泄漏收集池3用来存储单次实验所使用的重气，在进行实验前，将实验所需的一定量的低温液体从低温液体储罐引入泄漏收集罐中，如果是重气，直接从重气储罐引入实验装置中；在进行泄漏实验过程中，通过控制储罐的出口阀控制重气泄漏量；泄漏出的低温液体、重气通过管线14接到低温液体泄漏收集池3或直接进入实验装置，可根据实验需求选择不同形状、孔径的泄放管。
根据需要将低温液体泄漏收集池3、控制技术测试系统装入风洞内，可以根据需要通过风洞内自带的湿度调节器8、温度调节器9、辐射调机器10、风速调节器11调节重气泄漏环境中的温度、湿度、辐射量、风速。
制造水幕所需要的水通过水输入管线13引入，水管上装有压力表、流量计、出口阀用来控制水量；引入水管与水幕喷头相连，水幕喷头为可拆卸更换设备，可根据实验需求选择不同形状、孔径的喷头，可以制造不同形状、尺寸、水流量水幕。实验时只需将水输入管线连接水幕喷头通过水幕喷头预留孔洞中引入风洞中。
制造高倍泡沫所需泡沫液通过管线引入高倍泡沫发生器，经高倍泡沫发生器产生的高倍泡沫经发泡筒引入泡沫接收罐，可根据实验需要选择不同泡沫液、泡沫液流量压力、引风量、喷头、滤网，可以制造不同发泡倍数、破裂率、尺寸、覆盖性能的高倍泡沫。实验时只需将泡沫发生装置各个部分连接调试好，而后连接发泡筒通过发泡筒预留孔洞中引入风洞中。
在泄漏口下游布置若干监测点30，在每个点上相应安放热电偶、氧气浓度分析仪并与数据采集器相连；同时布置风速仪24、湿度计25、高速摄像机26、普通摄像机27记录采集实验影像资料和气象数据；对于控制技术测试部分可根据需要再安装相应的传感器，如高倍泡沫发泡筒上部、水幕喷头下方安装热电偶、氧气传感器；对于特殊现象如高倍泡沫施加到低温液体上形成冰冻层，通过电锯将重气冰冻层提取，通过常压水解法得到冰冻层含气量，而后抽取气体通过色谱仪17分析气体组分。
所述的控制系统包括温度、湿度、辐射量、风速、压力、流量等显示仪表以及各类控制阀门，各类显示仪器安装在相应的储罐、设备及附属管线上，控制阀门安装在相应储罐的进出管线上；所述的数据采集系统与控制系统的相连，并将采集到的数据信号汇总到控制系统终端进行处理。
所述监测点阵列由一系列的分布在重气泄放口下游的监测点组成，每个监测点上同时布置了热电偶、氧气浓度检测仪，监测点位置可根据需要进行调节，各个监测点的检测信号汇集到信号处理器进行数据的记录并保存，并连接到控制终端，实时显示各监测点物理参数的变化。
所述的实验平台可模拟重气泄漏到不同地形上情景，根据半无限大物体导热公式，得到不同温度地形表面泄漏上重气之后温度变化曲线，由平台输入界面直接输入相关参数，即可启动控制系统调节辅助加热系统加热功率模拟不同地形不同温度情况下重气泄漏扩散情景。
本发明根据需要，进行不同缩放比例下重气泄漏扩散模型，由数据处理系统给出相应的重气泄漏量、风速。根据质量天平质量的变化得到重气蒸发率，根据刻度尺、普通摄像机的捕捉以及后期数据处理，得到所需数据进而进行能量去向跟踪。由可移动监测点阵列将无色气云可视化，得到重气泄漏源下游气云的温度、浓度与分布。通过高速摄像机捕捉泡沫破裂过程、水幕形成过程、泡沫冰冻层形成过程等过程中物质的去向，再综合其他测量数据分析。
所述实验平台可进行多种控制技术的小型实验，可给出各相关量将尺寸因子考虑在内转换计算取值，控制技术参数可任意单独调节，控制技术性能如泡沫发泡倍数、稳定性、泡沫大小与分布、水幕颗粒大小与分布可给出量化数值，可给出能量去向。
所述实验平台对蒸气浓度的测量统一采用氧气浓度传感器，提高了通用性，更换气体也可实现测量。
优选的，所述的通用实验风洞系统测试段截面为矩形，便于实验装置的安装；测试段透明，便于实验现象的观察与数据记录；测试段带旋转升降平台，可以对液池位置进行高度、相对角度调整。
所述的通用实验风洞系统通过加热器、加湿器、变频风机、辐射板可模拟不同温度、湿度、风速、辐射情况下的自然环境。
实验结束后将低温液体泄漏收集池及其附属管线内剩余的低温液体回收、排空。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。