模拟空间

模拟空间（精选十篇）

模拟空间 篇1

笔者结合此类超大空间建筑体空间体量巨大的特点, 分析其在消防方面对现有规范提出的挑战, 引入“准室外空间”的概念研究超大空间建筑体的消防安全性。针对超大空间建筑体在排烟方面存在的困难, 采用CFD模拟其在火灾时的排烟能力和对人员安全疏散的影响, 研究超大空间建筑体作为“准室外空间”的可行性。

1 准室外空间

“准室外空间”指在空间容蓄能力足够大的情况下, 不利火灾产生的烟气能够快速被空间稀释, 空间内烟气的特性参数与室外空间大气参数接近, 空间内人员活动面上长时间内不会受到烟气的侵害。

由于超大空间建筑体具有巨大的体积量, 蓄烟纳热能力强, 在有合理的防排烟系统设计的情况下, 具有类似室外空间的特点, 具备作为“准室外空间”的可能性。保证“准室外空间”安全的重要原则是:大空间不垮塌、不发生横向和纵向的火灾蔓延, 使大空间连通的各个区域能够各自按照规范进行防火分区划分。另外, “准室外空间”应具备与室外空间相似的消防扑救条件, 因此, 应保证消防车辆能够进入空间内部展开灭火救援。

2 成都海洋馆排烟设计

超大空间建筑体消防设计的关键在于及时有效地排除烟气, 保证人员活动面上不受烟气侵扰, 人员在超大空间内行动时与在室外空间相似。由于成都海洋馆体积量巨大, 如采用机械排烟, 按照GB 50045-95 (2005) 《高层民用建筑设计防火规范》和GB 50016-2006《建筑设计防火规范》, 将得出相当大的排烟量。

由于成都海洋馆空间最高点达98 m, 可能会在顶部出现“热障”现象, 烟气不一定能够到达顶部。因此, 根据大空间的形状特点, 分为高区和中区排烟, 地面设补风口。高区排烟设于大空间中央顶部和两侧起翘位置, 中区排烟设于空间壳体的中部, 如图2所示。同时, 考虑自然通风排烟方式会受到室外环境和排烟口位置等因素的影响。为减小室外风向对自然排烟效果的影响, 自然排烟口在各个方向均匀布置。

3 烟流模拟及分析

采用“准室外空间”解决超大空间建筑体消防安全性的首要目标是要保证人员生命安全。由于海洋馆大空间防火分区面积巨大, 人员众多, 最远疏散距离超过100 m, 对大空间内的人员疏散模拟量化分析结果表明, 其人员疏散所需时间RSET达1 231 s, 这就要求火灾工况下空间内烟气层应长时间维持在人员活动面之上。

3.1 初始条件设置

笔者采用美国NIST开发的经典烟流模拟软件FDS对海洋馆大空间火灾工况下的烟气流动进行分析。模拟初始条件设置如下:

(1) 环境情况:计算区域压力为1个标准大气压, 风速为0 m/s, 室内外温度均为29 ℃;

(2) 开口情况:在火灾模拟过程中, 大空间自然排烟窗全部开启, 进行自然排烟;

(3) 模拟时间:考虑到人员疏散时间较长以及消防队的到达扑救, 模拟时长选为1 800 s。

3.2 模拟结果及分析

海洋馆大空间内可燃物的分布特点是:既有直接裸露在空间内的游艺设施, 也有与大空间相连通的酒店内的家具、窗帘和装饰等, 火灾危险性均较高。因此, 分别选定直接裸露在空间的可燃物和与空间相连通的酒店起火, 分析烟气流动对大空间内人员安全疏散的影响。

3.2.1 豪华木马起火

根据海洋馆的游艺设计和火灾荷载分布状况, 将着火点选取为休闲广场的豪华木马, 豪华木马含有大量塑料、木料等可燃物, 火源功率较大。为保守起见, 模拟过程中火源热释放功率设定为20 MW。

通过模拟得到海洋馆大空间火灾工况下的烟气蔓延特性参数, 如烟气温度、CO2体积分数、CO体积分数、能见度等, 各参数到达人体耐受极限的时间如表1所示。

由表1可知, 各烟气蔓延特性参数均未达到人体耐受极限条件, 由此可以得出, 海洋馆大空间火灾工况下的人员疏散可用时间ASET大于1 800 s。

图3、图4分别为豪华木马起火时300、 900、 1 800 s的烟气灰密度图和烟气温度图。

从图3、图4以及表1可以看出:

(1) 各时刻烟气分层较明显, 烟气没有受到明显的扰动, 烟气分界面以下空间的烟气状态有利于人员疏散逃生。烟气主要蓄积在海洋馆穹顶中央, 大空间起到了良好的蓄烟效果;

(2) 自然排烟口的排烟效果明显, 烟气沉降速度缓慢, 900 s后烟气层高度趋于稳定, 直到模拟结束, 烟气层分界面一直维持在酒店顶部 (36 m之上) 较高的位置, 烟气不会侵扰到与大空间相连通的酒店, 酒店处于清洁空气层内, 与大空间相连通的人员活动面均没有受到烟气的侵扰, 温度没有升高, 人员在大空间内所处环境与室外大气环境相似。因此, 可将大空间视为“准室外空间”;

(3) 自然排烟口的设置位置、开口的设置是合理的, 能够满足海洋馆大空间的排烟要求。

3.2.2 大空间周围酒店起火

大空间周围的酒店客房与大空间之间开敞连通, 选定酒店二层的一个客房靠大空间一侧起火, 烟气通过阳台涌入大空间内部。火源热释放功率设定为6 MW。

表2为酒店起火时海洋馆大空间区域烟气蔓延特性参数。可以看出, 各参数在模拟时间内均未达到人体耐受极限, 人员疏散可用时间ASET大于1 800 s。

图5、图6分别为酒店起火时300、 900、 1 800 s的烟气灰密度图和烟气温度图。

从图5、图6以及表2可以看出:

(1) 酒店客房起火后, 烟气通过与大空间连通的窗户进入大空间内部, 进而缓慢上升至大空间顶部, 由于大空间体积巨大, 具有很好的蓄烟纳热能力, 烟气没有在大空间内形成浓厚的烟气层, 而是弥散开来, 仅在大空间顶部形成了稀薄的烟气层, 顶部烟层的温度为30 ℃左右;

(2) 直到模拟结束时刻, 大空间内仍然只有少量的稀薄烟气, 烟气没有对人员活动面形成侵扰, 人员活动面处于清洁空气层内。与大空间相连通的人员活动面均没有受到烟气的侵扰, 温度没有升高, 人员在大空间内所处环境与室外大气环境相似。因此, 在酒店起火的情况下, 可将大空间视为“准室外空间”。

4 结 论

成都海洋馆体积量达数百万立方米, 属于超大空间建筑体。笔者引入“准室外空间”的概念, 利用超大空间建筑体蓄烟纳热能力强的特点, 解决成都海洋馆大空间的排烟问题。烟流数值模拟结果表明:

(1) 超大空间在火灾工况下, 火灾烟气分层较为明显, 自然排烟效果较好, 模拟后期烟层高度趋于稳定, 烟气层分界面高度始终高于人员活动面高度, 疏散人员一直处于清洁空气层内, 人员在大空间内所处环境与室外大气环境相似。因此, 将超大空间视为“准室外空间”是合理的;

(2) 自然排烟口的设置位置、开口的设置是合理的, 能够满足海洋馆大空间的排烟要求;

(3) 模拟过程中, 超大空间内的烟气温度较低, 完全依靠自然排烟难以将烟气排尽, 还应设置相应的冷烟清除系统, 采用机械排烟系统将火灾后残留的烟气排除。

参考文献

[1]GB 50045-95 (2005年版) , 高层民用建筑设计防火规范[S].

[2]GB 50016-2006, 建筑设计防火规范[S].

[3]兰彬, 钱建民.国内外防排烟技术研究的现状和研究方向[J].消防科学与技术, 2001, 20 (3) :17-18.

[4]刘方.中庭火灾烟气流动与烟气控制研究[D].重庆:重庆大学, 2002.

[5]李辛夷.大空间建筑火灾数值模拟研究[D].重庆:重庆大学, 2003.

空间原子氧环境效应模拟方法 篇2

空间原子氧环境效应模拟方法

原子氧是近地轨道中一种极为恶劣的空间环境,地面模拟与数值模拟是进行原子氧环境效应研究的常用方法.文章调研分析了国内外在空间原子氧地面模拟与数值模拟方面的最新进展及所采用的.关键技术,提出国内今后在地面模拟方面应着力建立有效的试验方法与寿命预示方法,为今后航天器选材试验提供技术基础;在数值模拟方面应以工程应用为指导,以试验结果为基础,逐步建立起合理有效的数值模拟方法.

作 者：李涛  作者单位：北京卫星环境工程研究所,北京,100094 刊 名：航天器环境工程  ISTIC英文刊名：SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 年，卷(期)： 25(2) 分类号：V416.5 关键词：原子氧   地面模拟   数值模拟  

模拟空间 篇3

中国空间法学会举办的本届竞赛活动是国际空间法学会ManfredLachs国际空间法模拟法庭竞赛体系的重要组成部分。ManfredLachs国际空间法模拟法庭竞赛是国际空间法学会1992年创办的年度性世界级模拟法庭大赛，因其每年的总决赛由国际法院3位大法官亲自出庭审理而成为当今世界最高级别的模拟法庭大赛。

担任本届竞赛活动的3位主审法官是外交部条法司二处处长徐宇、亚太空间合作组织行政财务部部长刘小红和香港大学法律学院副教授赵云。竞赛采用国际空间法学会ManfredLachs模拟法庭竞赛2012年度最新案例，主要涉及外层空间在轨相撞、不合作性卫星移除以及损害赔偿责任方面的法律问题，竞赛过程全部用英语进行。按照国际空间法学会竞赛规则，本届竞赛活动首次将书面诉状纳入各参赛队竞赛总成绩，其中书面诉状评审于12月22日完成。担任书面诉状评审的5位评委除了3位主审法官外，还有哈尔滨工业大学教授、院长助理、法国南特高等研究院2011—2012年度驻访学者李滨和北京外国语大学法学院副教授姚艳霞。

中国航天科技集团公司、中国空间法学会对本届竞赛活动高度重视。中国航天科技集团公司副总经理、中国空间法学会理事长袁家军就做好竞赛筹备工作作出重要批示，提出了决策意见。中国航天科技集团公司总法律顾问、中国空间法学会副理事长巴日斯观摩了决赛现场并出席颁奖仪式，他充分肯定了各参赛队的进取精神和突出表现，勉励大家不断总结经验、持续提高成绩，为早日实现中国参赛队伍冲出亚洲、走向世界的目标努力奋斗。巴日斯表示，作为中央企业积极履行社会责任的重要举措，中国航天科技集团公司将一如既往地支持包括空间法模拟法庭竞赛活动在内的社会公益事业。

为系统总结本届竞赛活动经验，提高中国学生后续参赛成绩，中国空间法学会在颁奖仪式结束后立即召开了模拟法庭竞赛专题研讨会。本届竞赛活动的3位主审法官先后对各参赛队的表现进行了点评，对后续提高竞赛成绩提出了建议。中国政法大学凌岩教授应邀作了主题报告，介绍了自己多年从事空间法模拟法庭竞赛教学和指导学生参赛的经验。来自北京理工大学和中国政法大学的两位曾经参加亚太地区模拟法庭竞赛并获奖的学生代表王沁、程德伟和大家一起分享了各自的参赛经验和体会。

本届竞赛活动总协调人、中国空间法学会秘书长张振军代表主办方致闭幕词，对本届竞赛活动进行了全面总结，并结合2013年国际宇航联在京举办第64届国际宇航联大会(含国际空间法学会ManfredLachs模拟法庭竞赛全球总决赛)这一情况，从充分认识快速提高中国学生参赛水平的重要性和迫切性、各高校开展空间法模拟法庭教学改革方向、空间法模拟法庭竞赛活动强化自身建设等3个方面提出了看法，引起与会领导和参赛队师生的共鸣。

国际空间法学会对本届竞赛活动高度重视，国际空间法学会主席TanjaMasson-Zwaan多次来函询问竞赛筹办进展情况，并安排国际空间法学会ManfredLachs模拟法庭竞赛委员会联合主席MarthaMejfa-Kaiser就竞赛规则与中国空间法学会反复沟通，确保了竞赛按照国际规则进行。TanjaMasson-Zwaan丰席还在赛后第一时间向中国空间法学会发来贺电，对竞赛活动获得圆满成功表示热烈祝贺。

地理模拟系统的空间数据获取 篇4

数据可分为第一手的原始数据和处理过的数据,也可以分为数字化的数据和非数字化的数据(表1)。数据是GIS的基础和核心,通常情况下,一个GIS项目的资金分配为硬件、软件、数据各占10%、20%、70%。

一般需要采集的GIS空间数据有以下几种:

a.各类统计调查数据;

b.野外调查测量数据,包括调查记录文本、GPS、全站仪等仪器所测得的数字化数据资料;

c.已有地图(专题图)数字化;

d.遥感数字图像;

e.修改或转换已有数据库资料。

GIS数据采集工作的主要任务有将现有的地图、外业观测成果、航空像片、遥感图片数据、文本资料等转换成GIS可以识别和处理的数字形式;数据添加到数据库之前进行验证、修改、编辑等处理,保证数据在内容和逻辑上的一致性;不同的数据来源需要进行数据转换和处理,便于GIS的分析和处理工作的进行,数据转换需要使用到不同的软件、设备和方法,数据处理包括生成拓扑关系、几何纠正、图像镶嵌和裁剪等。

图像数据是GIS空间数据的重要组成部分,图像数据的收集实际上就是数字化的过程。一般有扫描数字化和手扶跟踪数字化两种数字化方法。扫描数字化是使用扫描仪直接把图形(地形图、专题图等)和图像(航空像片、卫星像片等)扫描输入到计算机中,以像元信息进行存储表示,然后采用矢量化软件从栅格图像上自动或半自动生成矢量数据;手扶跟踪数字化是使用手扶跟踪数字化仪,将已有图件作为底图,对某些需要的信息进行跟踪数字化。一般来讲,扫描数字化因其输入速度快、不受人为因素的影响、操作简单而越来越受到大家的欢迎,且随着计算机硬件的发展,计算机运算速度、存储容量的提高,使得扫描输入已成为图形数据输入的主要方法。

属性数据是记录和描述空间实体对象特征的数据。属性数据一般包括名称、等级、数量、代码等多种形式。属性数据有时单独存储在空间数据库中,形成专门的属性数据文件,有时则直接记录在空间数据文件中。往往需对属性数据进行编码处理,将各种属性数据变为计算机能有效存储和处理的形式。属性数据的编码一般需要基于以下三个原则:编码的系统性和科学性,编码方式必须满足科学的分类方法,以体现该类属性本身的自然性,容易识别和区分;编码的一致性,编码必须前后一致,所定义的专业属于必须是唯一的;编码的标准化和通用性,为便于信息交流和共享,所建立的编码系统必须尽可能的遵循标准方式。

2 利用各种GIS空间分析方法获取进一步数据

GIS数据库存储基础的空间数据,在具体的应用中往需要利用各种GIS空间分析功能来获取进一步的空间数据。GIS空间分析的一般方法下面介绍。

2.1 空间查询和检索

用来查询、检索和定位空间对象,包括图形数据的查询和属性数据的查询以及空间关系的查询几种方式,空间查询和检索是GIS的基本功能之一,也是进行其他空间分析的基础操作。

2.2 空间量算

空间量算主要是用一些简单的量测值来初步描述复杂的地理实体和地理现象,这些量测值包括点、线、面等空间实体对象的重心、长度、面积、体积、距离和形状等指标。

2.3 空间插值

空间插值用于将离散的测量数据值,按照某种数学关系转换为连续变化的数学曲面,以便与空间实体的实际分布模式进行比较,并可以推求出未知点和未知区域的数据值。

2.4 叠置分析

叠置分析是GIS空间分析中重要的分析方法之一。GIS中使用分层方式来管理数据文件,叠置分析是将同一研究区的多个数据层集合为一个整体,对多个数据层进行交、并、差等逻辑运算,得到不同层空间数据的空间关系。叠置分析又包括矢量数据的叠置分析和栅格数据的叠置分析两种。

2.5 缓冲区分析

缓冲区分析是GIS空间分析中使用较多的分析方法之一。缓冲区分析就是对一个、一组或一类空间对象按照某一个缓冲距离建立其缓冲区多边形的过程,然后将原始图层与缓冲区图层相叠加,进而分析两个图层上空间对象的关系。从数学的角度来说,缓冲区就是空间对象的邻域,邻域的大小由邻域半径(即前面所说的缓冲距离)来确定。缓冲区分析与叠置分析不同,前者包括了缓冲区图层的建立和叠加分析,而后者只是对现有的多个数据层进行叠加分析,并不自己生成新的图层参与分析。

3 利用GIS获取城市模拟的输入数据

城市模拟所需要的特定信息一般是通过执行GIS空间分析功能来获取的。通常用已有的GIS图层直接作为城市模拟的输入,但有时候在进行城市模拟时为了提取模型所需的特定信息,就需要执行地图操作。城市是一个非常复杂的巨系统,因此,城市模拟通常要涉及许多空间变量。空间分析对于量化这些空间变量来说是至关重要的。最简单和传统的GIS空间分析是叠置分析。叠置分析的概念出自于传统的地图比较。在过去,因为每一幅地图包含的信息都不同,地理学家需要在不同的图层上进行地图比较。在GIS数据库中,空间变量是作为层存储的。

基于数字化地图的叠置分析比基于纸质地图的人工分析在实际应用中有极大的优势。GIS叠置分析能方便找到在多个图层上满足一定条件的位置,在设施选址的有许多十分成功的例子。例如,可利用GIS叠置分析查找放置放射性物质的适合位置。用于分析的地理要素包括人口、通达性和保护区等图层。GIS叠置分析在层与层之间的操作非常方便。GIS层通常包含点、线、面要素。通过对这些要素执行相交和合并操作,可以建立新的要素和新的空间关系。

缓冲区分析是另一种提取空间信息的普遍技术,这些空间信息与距离和邻近度(Proximity)有关。邻近度(Proximity)是重要的空间决策因子。例如,在环境敏感源(饮用水)附近区域不适合建造污染工业。可利用GIS的缓冲区分析功能,在环境敏感源处建立一个缓冲区,代表这是问题区域。在大多数情况下,离源点越远,影响会逐渐变小。例如,当位置远离城市中心的时候,城市的吸引力逐渐变小。可用一个负的指数函数用于表达这种影响,例如以下的方程:

在栅格的数据结构环境下,GIS包提供了多种基本的算法运算功能,从而使得计算这种随距离而衰减的影响度变得十分容易。地图操作允许通过整合不同数据源的地图得到新的信息。大多数GIS包有下列功能:

a.算术运算;

b.几何量算(例如计算点、线和面的距离);

c.叠置分析和缓冲区分析;

d.统计分析(例如执行包括各种空间变量的回归分析在内的一系列统计操作)。

模拟空间 篇5

提出并实现了一种应用于光学空间目标监视地面仿真实验的目标模拟器系统.目标模拟器系统以高性能图形工作站和液晶显示器为硬件,通过软件方法,动态表现恒星、日、月、地球等自然天体对敏感器的光学特征,并通过建立球面光反射模型,模拟出自然环境中的.空间目标航天器.系统可作为空间目标监视敏感器的地面仿真实验的目标模拟器,亦可以应用于星敏感器的地面实验.

作 者：王兆魁 张育林 WANG Zhao-kui ZHANG Yun-lin 作者单位：王兆魁,WANG Zhao-kui(国防科技大学航天与材料工程学院,长沙,410073)

张育林,ZHANG Yun-lin(清华大学宇航中心,北京,100084)

模拟空间 篇6

关键词：湖泊；磷；碱性磷酸酶；菖蒲；相关性

中图分类号：S181.3 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2014）08-0368-02

磷污染物进入湖泊水环境后会因为迁移而进入水体、底泥中，充分认识湖泊环境条件下水体和底泥中的磷元素空间分布规律对控制湖泊中磷元素具有很好的价值，是目前研究的热点课题^[1]。水体和底泥中的磷浓度是控制浮游植物生长至关重要的因素，而水体中的磷多数以固态和胶体态形式存在，其中只有约5%的溶解性磷是决定浮游植物可用磷源，而一些固态磷可以在碱性磷酸酶（APA）的作用下转化为可溶解性磷^[2]，因此碱性磷酸酶的数量和活性是影响溶解性磷浓度高低的关键^[3]。菖蒲（Acorus calamus）是天南星科的多年生挺水植物，适宜水景岸边及水体绿化，也可作盆栽观赏或布景用。目前，有关菖蒲的研究多集中在其对水体中氮磷去除等方面^[4-6]，但有关菖蒲对湖泊环境中磷空间分布及碱性磷酸酶活性的影响还未见报道。本试验研究菖蒲在模拟湖泊环境下对磷空间分布规律的影响，并探讨磷元素分布与碱性磷酸酶活性之间的关系，旨在掌握湖泊磷元素的空间分布规律，为浮游植物的控制和富营养化水体的治理提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验所用沉积物采集于中国矿业大学南湖校区小池塘，采用柱状采样器采取表层沉积物，混合后置于整理箱中，整理箱由有机玻璃制作。将整理箱置于徐州工程学院玻璃花房内进行培养，在温室下模拟封闭性浅水湖泊生态系统。将取自同一地点的菖蒲栽于整理箱底泥中，箱中注入配制好的营养液。在培养过程中，每天向试验装置中通入O2和N2，以调节上覆水体溶解氧浓度，同时使用NaOH和HCl调节pH值，第1次取样时间为泥水界面建立稳定后，以后平均每7 d取1次样，共取5次样，测定上覆水体及沉积物（表层、次表层、第3层）中的磷含量及堿性磷酸酶活性，同时每组处理设3次重复，并以只有载体而无植物的整理箱为对照（无菖蒲区）。

1.2 分析检测方法

沉积物中总磷的测定为H2SO4-HClO4消解钼锑抗比色法^[7]。碱性磷酸酶（APA）的测定以对硝基苯磷酸二钠（PNPP）为底物，进行Tris反应，NaOH中止反应，420 nm下测定吸光度，碱性磷酸酶活性以每 1 g 土生成的对硝基酚的量表示^[8]。采用SPSS 13.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 菖蒲对磷空间分布的影响

2.1.1 水体中磷含量变化 从图1可见，随着培养时间的延长，水体中磷呈现先下降后升高趋势，而且菖蒲种植区磷含量高于无菖蒲区。

3 结论

菖蒲种植区水体中磷含量高于对照区，并且呈现先下降后升高趋势；菖蒲种植区沉积物表层磷含量先大于次表层，随着培养时间的延长，同时沉积物表层总磷含量小于次表层。在培养过程中，无菖蒲对照沉积物各层总磷含量也下降，其中表层降低最快。

菖蒲种植区碱性磷酸酶活性显著低于无菖蒲对照；菖蒲种植区沉积物以次表层碱性磷酸酶活性最高，其次为表层，第3层最低；无菖蒲对照沉积物各层以表层碱性磷酸酶活性最高，第3层次之，次表层最低。

在菖蒲种植区，水体、底泥中总磷含量与碱性磷酸酶活性相关性均不显著，而无菖蒲对照水体、沉积物表层、沉积物次表层总磷含量与沉积物表层碱性磷酸酶活性呈现显著或极显著相关性。

参考文献：

[1]高 光，高锡芸，秦伯强，等. 太湖水体中碱性磷酸酶的作用阈值[J]. 湖泊科学，2000，12（4）：353-358.

[2]王维娜，孙儒泳，王安利，等. 环境因子对日本沼虾消化酶和碱性磷酸酶的影响[J]. 应用生态学报，2002，13（9）：1153-1156.

[3]周易勇，李建秋，张 敏，等. 浅水湖泊中沉积物碱性磷酸酶动力学参数的分布[J]. 湖泊科学，2001，13（3）：261-266.

[4]周世玲，房 岩，孙 刚，等. 菖蒲对污水中氮及磷的净化效应[J]. 北方园艺，2013（10）：51-53.

[5]李 琳，刘娜娜，达良俊. 鸢尾和菖蒲不同器官对富营养化水体中氮磷的积累效应[J]. 环境污染与防治，2006，28（12）：901-903，907.

[6]刘春光，王春生，李 贺，等. 几种大型水生植物对富营养水体中氮和磷的去除效果[J]. 农业环境科学学报，2006，25（S2）：635-638.

[7]胡 俊，丰民义，吴永红，等. 沉水植物对沉积物中磷赋存形态影响的初步研究[J]. 环境化学，2006，25（1）：28-31.

受限空间内甲苯扩散的数值模拟研究 篇7

对受限空间内的甲苯蒸气扩散进行了数值模拟, 分析了在受限空间内甲苯蒸气的扩散规律及特点, 对比三种通风条件下甲苯蒸气的扩散规律及其浓度变化情况。

1 建立模型

1.1 建立物理模型

利用Gambit建立物理模型。建立3种物理模型, 如图1所示。受限空间的尺寸为1.5m×1.5m×1.5m, 甲苯蒸气入口为处于底面中心直径为0.2m的圆。模型a:底面甲苯蒸气进口, 没有出口, 相当于受限密闭空间;模型b:底面甲苯蒸气入口, 中心位于 (1.5, 0.75, 1.2) 尺寸为0.2m×0.2m的方形出口, 相当于受限空间内留有小窗口;模型c:底面甲苯蒸气入口, 中心位于 (0, 0.75, 0.1) 尺寸为0.2m×0.2 m的方形空气进口, 中心位于 (1.5, 0.75, 1.2) 尺寸为0.2m×0.2m的方形出口, 相当于受限空间内形成通风环境。

1.2 网格划分

网格划分直接影响着计算速度和计算结果的准确性, 因此在网格划分时必须进行严格的计算。模型网格采用四面体/混合网格划分方法, 模型a划分的网格数为230 690, 最大网格尺寸为3.784 793×10-4m3, 最小网格尺寸为1.564 396×10-8m3;模型b划分的网格数为393 526, 最大网格尺寸为3.943 132×10-4m3, 最小网格尺寸为1.851 648×10-8m3;模型c划分的网格数为565 240, 最大网格尺寸为3.711 658×10-4m3, 最小网格尺寸为1.450 039×10-8m3。

1.3 数学模型

研究甲苯蒸气在受限空间内的扩散情况, 挥发过程中空间内温度保持不变, 所以需要指定质量、动量、能量守恒方程以及组分输运方程。在指定组分输运模型时选择相应的物质混合物并在定义物质的物理性质时设置扩散系数等参数。

1.4 边界条件设置

1.4.1 甲苯挥发速度

为了保证模拟情况与实际挥发情况相一致, 依据受限空间模型1∶1完成甲苯挥发实验, 测定甲苯挥发速度。实验所用天平型号为CP224S。密闭空间尺寸为1.5m×1.5m×1.5m, 蒸发皿直径为0.2m, 位于底面中心处。实验温度及湿度为17℃和77%。利用天平记录蒸发皿中甲苯质量的变化情况, 测得甲苯的挥发速度为0.004 57g/min, 即7.616 67×10-8kg/s, 以此作为甲苯挥发速度的边界条件。

1.4.2 其他边界条件

模型a:壁面温度保持300K不变, 甲苯蒸气的温度为300K;模型b:壁面温度保持300K不变, 甲苯蒸气的温度为300 K, 出口为自由出口;模型c:壁面温度保持300K不变, 甲苯蒸气的温度为300K, 出口为自由出口, 空气进口为速度进口, 速度大小为5m/s。

1.5 求解方法控制

设定好边界条件后, 就可以设定具体求解方式。压力与速度的耦合算法采用SIMPLE算法, 时间选项为非稳态, 采用k-ε模型描述流体的湍流流动, 壁面为标准壁面函数。启用组分运输模型。初始化使空间充满空气, 然后纯甲苯蒸气从进口进入受限空间, 开始计算, 收敛精度为10-9。

2 数值模拟结果分析

2.1 受限密闭空间甲苯扩散情况

受限密闭空间中心点 (75, 75, 75) 的甲苯摩尔浓度随时间的变化情况, 如图2所示。

从图2可以看出, 开始时甲苯摩尔浓度急剧升高, 然后稳定增加。拟合得到甲苯摩尔浓度y与时间t的关系如式 (1) 所示, 拟合r值为0.998 36。

甲苯在受限密闭空间连续挥发420min之后, 在x=0.75m、z=0.3m平面上的摩尔浓度, 如图3、图4所示。从图3和图4可以看出, x=0.75 m平面上甲苯的摩尔浓度左右对称, 在空间中下部浓度比上部大, 与甲苯密度比空气重的性质相一致。甲苯在挥发后会向下沉积, 随着时间推移逐渐充满空间。在纵向上分析, 可以看出挥发源左右的浓度梯度比较平均, 说明挥发过程比较稳定, 甲苯蒸气浓度逐层分布的特点十分明显。z=0.3m平面上的甲苯摩尔浓度从中心到壁面呈现先降低再升高然后降低的分布, 说明甲苯在挥发时先从挥发源向上, 到达一定高度后向四周扩散沉积, 造成挥发源上方的甲苯蒸气浓度低于四周甲苯蒸气浓度。

2.2 受限带窗口空间甲苯扩散情况

受限带窗口空间中心点 (75, 75, 75) 的甲苯摩尔浓度随时间的变化情况, 如图5所示。

从图5可以看出, 开始时甲苯浓度急剧升高, 然后稳定增加。拟合得到甲苯浓度y与时间t的关系如式 (2) 所示, 拟合r值为0.993 54。

甲苯在受限带窗口空间内连续挥发420 min之后, 在x=0.75m、z=0.3m平面上的摩尔浓度, 如图6、图7所示。从图6、图7可以看出, 在x=0.75m平面甲苯蒸气摩尔浓度仍然是逐层分布, 但浓度梯度较小。而在z=0.3m平面上中心位置的摩尔浓度较高, 靠近右边窗口的位置摩尔浓度较低, 角落的摩尔浓度最高, 整个摩尔浓度分布呈现环状。

2.3 受限通风空间甲苯扩散情况

受限通风空间中心点 (75, 75, 75) 的甲苯摩尔浓度随时间的变化情况, 如图8所示。从图8可以看出, 甲苯摩尔浓度一直维持在3×10-6mol/L上下, 低于以上两种情况。说明在通风条件下, 甲苯挥发更快, 更不容易发生聚集。

甲苯在受限通风空间内连续挥发420min之后, 在x=0.75m、z=0.3m平面上的摩尔浓度, 如图9、图10所示。从图9、图10可以看出, 在x=0.75m平面上, 甲苯摩尔浓度很小, 只在挥发源附近摩尔浓度稍高。在z=0.3m平面上可以看出从左向右摩尔浓度越来越低, 与通风方向一致, 而在上下两边壁面摩尔浓度较大。所以当存在通风条件时, 在风向方向上甲苯摩尔浓度较低, 且随着风向摩尔浓度逐渐减小, 而在通风两侧, 摩尔浓度较大, 不易被风带走。

2.4 三种不同通风条件对比

在三种不同通风条件下, 中心点的摩尔浓度对比情况如表1所示。

从表1可以看出, 随着通风条件的不断改善, 同一时刻对应的甲苯的摩尔浓度不断降低, 且降低幅度较大。从密闭条件到带窗口条件, 甲苯摩尔浓度降低10倍;从带窗口条件到通风条件, 甲苯摩尔浓度降低50~100倍。因此, 可在甲苯储存时设置高低通风口, 保持通风条件, 一旦发生泄漏, 有利于甲苯的扩散。

3 结论

(1) 甲苯泄漏后会在泄漏源附近形成气云, 向上挥发, 挥发到一定高度后在重力作用下向下沉积, 然后由中心向四周扩散。

一种新方法模拟空间预应力 篇8

关键词：曲线论,摩擦损失,沿程荷载分布力

在工程实践中,处理具有空间曲线索形预应力筋的预应力损失时,按二维函数考虑,忽略空间效应;或者将曲线分别投影到平面和立面上成二维函数并计算曲率转角,然后再累加各面上计算得到的预应力转角摩擦损失。这在一定条件下满足工程的精度要求,但对于布置较复杂的预应力不能准确地反映其对结构的实际作用,此外计算结果也存在较大的误差。

目前,有部分商业软件已经采用空间曲线函数来计算空间预应力筋,如ANSYS土木工程模块预应力筋线型编辑器中应用的贝塞尔曲线(Bezier curve)和文献[1]中的双圆曲线(bicircular curve)。文中根据曲线论和预应力损失相关公式推导出空间预应力筋的摩擦损失,然后根据预应力对结构作用的特点,求解出预应力沿程荷载分布力,为编写三维预应力程序提供理论依据。

1 预应力筋摩擦损失计算

基本公式推导。设某一空间预应力筋的曲线方程为:

P(t)=(x(t),y(t),z(t)) (1)

取预应力筋一微段作为分析对象,由沿其切线方向的力的平衡条件可知:在预应力筋微段两端作用的集中力分别为N(t)和N(t+dt),方向是沿该端点切线方向(见图1),大小等于预应力筋的截面积乘以该点初应力。

N(t+dt)=N(t)-dN(t) (2)

由曲线论知[4],空间曲线在某点的曲率为$\phi (t)\text{d}l=|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }\times {\overrightarrow{{\rm P}}}^{″}|/|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|{}^3$,该微段长度$\text{d}l(t)=|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|\text{d}t$,弯曲角$\text{d}\theta (t)=\phi (t)\text{d}l=(|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }\times {\overrightarrow{{\rm P}}}^{″}|/|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|{}^2)\text{d}t$,则摩擦损失值为:

dN(t)=N(t)(μdθ(t)+kdl(t)) (3)

把dl(t),dθ(t)公式代入式(3),得:

$\text{d}{\rm N}(t)={\rm N}(t)(\mu |{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }\times {\overrightarrow{{\rm P}}}^{″}|/|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|{}^2+k|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|)\text{d}t$ (4)

其中,μ为预应力与管道的摩擦系数;k为管道每米局部偏差对摩擦的影响系数。实际计算摩擦损失[5]σ1时只需要计算从张拉端至计算截面曲线孔道部分夹角之和$\theta ={\displaystyle \int |}{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }\times {\overrightarrow{{\rm P}}}^{″}|/|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|{}^2\text{d}t$,从张拉端至计算截面曲线孔道长度$L={\displaystyle \int |}{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|\text{d}t$,则可得:

$\sigma {}_1=\sigma {}_{\text{c}\text{o}\text{n}}[1-e{}^{-(\mu {\displaystyle \int |}{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }\times {\overrightarrow{{\rm P}}}^{″}|/|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|{}^2\text{d}t+k{\displaystyle \int |}{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|\text{d}t)}]$ (5)

其中,σcon为锚下控制应力。

2 预应力沿程荷载分布力的确定

假想将预应力筋和结构“脱离”,用作用力和反作用力来模拟预应力筋与结构间的相互作用[6]。将预应力筋看作一个脱离体,作用在该脱离体上的力系必定是一个静力平衡力系。按力的平衡可求得作用于脱离体上的力,再将该力反加到结构上,这样就模拟了预应力筋对结构的作用。

基本公式推导。沿预应力筋延伸方向分别取微段,考虑预应力筋内部存在初应力,即预拉力,由力的平衡条件可分析出预应力筋沿程力的分布情况。取预应力筋弯曲部分的一微段作为分析对象(见图1),由力的平衡条件可求得该处结构对预应力筋的作用力$\overrightarrow{F(t)}$为法向力和切向力的矢量和,具体计算公式如下:

$\overrightarrow{F(t)}=\overrightarrow{{\rm N}(t+\text{d}t)}+\overrightarrow{{\rm N}(t)}$ (6)

考虑$\overrightarrow{v(t)}$为曲线在t点的单位切向量,方向为曲线的行进方向。

$\overrightarrow{F(t)}={\rm N}(t+\text{d}t)\overrightarrow{v(t+\text{d}t)}-{\rm N}(t)\overrightarrow{v(t)}$ (7)

$\overrightarrow{v(t+\text{d}t)}$泰勒展开式为:

$\overrightarrow{v(t+\text{d}t)}=\overrightarrow{v(t)}+\overrightarrow{v^{\prime }(t)}\text{d}t+\overrightarrow{v^{″}(t)}\text{d}t{}^2/2$ (8)

将式(4),(5),(6),(8)代入式(7)并忽略高阶小量得:

$\overrightarrow{F(t)}={\rm N}(t)\overrightarrow{v^{\prime }(t)}\text{d}t-{\rm N}(t)(\mu |{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }\times {\overrightarrow{{\rm P}}}^{″}|/|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|{}^2+k|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|)\overrightarrow{v(t)}\text{d}t$ (9)

其中有:

$\overrightarrow{v(t)}={\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }/|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|$ (10)

$\overrightarrow{v^{\prime }(t)}=\frac{{\overrightarrow{{\rm P}}}^{″}|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|-{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{″}|}{|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|{}^2}=\frac{{\overrightarrow{{\rm P}}}^{″}|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|{}^2-(|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }\cdot {\overrightarrow{{\rm P}}}^{″}|){\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }}{|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|{}^3}$ (11)

最终将式(10),(11)代入式(9)得到沿程荷载分布力集度计算公式为:

$\overrightarrow{Q(t)}={\rm N}(t)\frac{{\overrightarrow{{\rm P}}}^{″}|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|{}^2-({\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }\cdot {\overrightarrow{{\rm P}}}^{″}){\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }-\mu |{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }\times {\overrightarrow{{\rm P}}}^{″}|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }-k|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|{}^3{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }}{|{\overrightarrow{{\rm P}}}^{\prime }|{}^3}$ (12)

编写有限元程序时常需要求出某段预应力筋t∈[a,b]对结构的作用力,即沿程荷载为:

3算例

对于平面问题进行分析。不考虑摩擦损失,控制张拉力为F。这段曲线的函数表达式如下:

通过式(12)可以计算得沿程荷载分布力集度为:

Q(x)即为文献[7]中内荷载集度的表达式。因此,可以说文献[7]所推导的直接内载法为文中所推导的沿程荷载分布力集度公式的特例。

4结语

预应力对结构的作用是由预应力筋的径向力、预应力筋端部的锚固力和预应力束对结构的摩擦力组成的。

文中所推导的沿程荷载分布力公式能全面地反映预应力沿程荷载分布情况,满足自平衡条件并且计算简单易于理解,可以为空间有限元程序的编写以及预应力结构理论分析和设计提供理论依据。

此外,通过算例的比较,说明了考虑第一类损失得到的沿程荷载分布力计算公式的通用性和工程实用性。本公式适用于弯桥等预应力布置复杂的结构。在准确提供预应力筋曲线方程的基础上,能很好地反映预应力筋对结构的作用力。

参考文献

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[4]苏步青.实用微分几何引论[M].北京:科学出版社,1986.19-28.

[5]李国平.预应力混凝土结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,2000.31-33.

[6]叶见曙,袁国干.结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,1999.223-242.

模拟空间 篇9

自1960年第一台激光器诞生以来,随着激光技术的不断发展,新型激光器逐渐涌现,激光系统的能量也从低能量逐渐达到了数TW甚至PW[1]。激光特别是强激光在各个方面的应用逐渐引起了人们的广泛关注。国内外研究表明,激光脉冲能量大于1018 W/cm2时,激光与物质相互作用发生加热融化或汽化烧蚀[2],具有高能量的激光场使电子发生震动而产生等离子体,激光照射到等离子体薄靶时,电子很容易从激光场中获得能量而加速,使其速度接近光速,进而产生高能质子、高能离子以及高次谐波等。激光与物质相互作用产生的粒子具有高能、高速等优良性能,可以在强核子癌症的治疗、粒子注入、可控核熔化、铀的裂变、生成核素等诸多方面有很广泛的应用前景[3]。近年来,在空间环境地面模拟领域,诸如空间辐照环境、单粒子效应、原子氧环境、空间微小碎片环境、等离子体环境等地面模拟中,激光技术逐渐成为一种不可或缺的地面模拟技术。本文在概述空间环境的基础上,评述了目前激光在空间环境地面模拟技术中的应用,提出了基于激光技术的空间环境地面模拟设备及基础理论的研究思路。

1 空间辐射环境地面模拟中激光技术的应用

宇宙空间辐射环境主要包括太阳电磁辐射和高能带电粒子辐射。空间辐射对航天器的效应主要表现在两个方面[4]:(1)高能粒子对航天器的材料、电子器件、生物载荷及航天器的辐射总剂量损伤效应;(2)高能带电粒子与航天器电子器件或电路在空间辐射环境中相互作用,使后者发生逻辑错误、功能异常甚至器件或电路损毁等现象,造成单粒子效应。

激光作为强脉冲源,与物质相互作用后,可以产生质子、离子、电子等高能粒子。这一效应用于空间辐射环境地面模拟技术中,将会促进空间地面模拟技术的发展。目前激光模拟空间单粒子效应的研究已得到广泛应用。随着激光等子体加速机理的研究,空间带电粒子辐照剂量效应也具有可以预见的应用基础。

1.1 脉冲激光模拟单粒子效应

单粒子效应(SEE)是空间辐射环境中高能带电粒子与电子器件或电路相互作用,导致其逻辑状态非正常改变或功能受到干扰的现象[5]。航天器上使用了大量的集成电路和微电子器件,宇宙飞船的安全运行就依赖于这些电路和电子器件的正常运行。然而,空间环境中存在着由银河宇宙线、太阳宇宙线和地球辐射带高能离子交汇密集而形成的强大的辐射场。空间环境中重离子、质子和中子等高能粒子与航天器电路相互作用将引起单粒子效应。因此,为了保障空间飞行器安全可靠飞行,需要对航天器采用的器件进行地面单粒子效应模拟试验以衡量抗单粒子效应特性。

目前地面模拟单粒子效应采用的模拟源主要有天然放射源(原子裂变)、加速器(质子加速器和重离子加速器)和脉冲激光模拟源等。在诸多研究单粒子效应的常用手段中,重离子加速器模拟实验方法是地面模拟研究的传统方法,已取得了巨大成功。但重离子加速器模拟手段存在一定的局限性,如设备庞大、粒子参数调节困难、改变离子种类和能量所需时间长、实验费用昂贵、对被测器件造成一定的辐射损伤等[6]。锎源模拟的主要优点是设备及实验费用低廉、使用方便、近似点源,缺点是只适合于测量灵敏层分布较浅的器件[7]。而脉冲激光模拟通过控制或调节激光光斑大小,可以有效地控制单粒子效应实验进行,具有效率高、操作简单、安全无辐射、对器件无损伤等特点,是近十几年才开发应用于集成电路加固设计验证的实验室评估手段,它很大程度上弥补了上述两种方法的不足[8],在器件单粒子效应危害评估及电路加固验证方面具有非常明显的优势[9]。

脉冲激光在微电子器件和集成电路中产生单粒子效应的过程,同样也是与半导体材料的电离过程和电路对电离电荷的收集传输过程,其主要物理过程分为两步(如图1所示):(1)激光脉冲与半导体材料发生光电效应而产生电子-空穴对,这个过程形成电荷密度很高的电离径迹;(2)当电离径迹恰好穿越半导体材料的pn结时,径迹中大量电荷在耗尽层电场的作用下被pn结所收集,倘若收集电荷量超过某一临界值,半导体材料的逻辑状态和存储状态就发生改变,导致单粒子效应的发生[6,7]。

目前国内外,已有一些科研机构利用脉冲激光装置开展了单粒子效应研究[7]。国外,如美国波音公司激光单粒子效应试验系统,兰州物理所和中科院空间中心也分别具有纳秒和皮秒单粒子效应试验系统。实践表明,脉冲激光装置是进行卫星用器件单粒子效应敏感度评估、电路抗单粒子效应设计验证、自主抗单粒子效应集成电路设计效果试验的有力工具,是元器件空间环境特殊效应的重要平台,对促进我国卫星产品和国产宇航器件抗单粒子效应设计水平的提高有重要意义。

1.2 激光等离子加速技术在空间带电粒子辐射模拟中的可见应用

空间带电粒子辐射环境是影响航天器在轨运行的主要环境之一。高能质子和电子是空间带电粒子主要成分组成。目前带电粒子辐射地面模拟主要采用电场加速来实现。然而,传统射频加速器由于存在电场击穿,加速梯度要低于100 MV/m,所以随着离子能量的提升加速器的体积变得非常庞大,如欧洲大型强子对撞机(LHC)的周长达27 km。由于传统加速器的局限性及其高昂的造价,在过去的几十年里物理学家一直在探索新的粒子加速原理,以期在较短的距离内将粒子加速到很高能量。

近年来,随着激光技术的不断发展,激光聚焦光强可以达到1018 W/cm2以上,对应的电场高达1012 V/m。这样强的激光与等离子体相互作用时,由于等离子体本身是一个电离的状态,不存在击穿问题,产生的加速电场可以比常规加速器至少高出千倍以上,可以更加经济地实现超高能离子加速。在超强脉冲激光与等离子体相互作用的过程中,除了能够产生能量高达100 MeV量级的高能超热电子,还能够产生能量为几十MeV量级的高能质子束和高能重离子束,且所产生的离子束具有能量高、方向性好以及转换效率高的特点。因此,基于超强激光与等离子体相互作用产生的高能粒子束吸引了人们的广泛关注[10]。

(1)激光模拟质子(离子)辐射

超强烈的激光脉冲(I>1018 W/cm2)与沉积或粘贴在富含氢原子的透明基底上的金属Au、Ta、Ti等薄膜相互作用可以产生短脉冲、小发射角、高束流密度、高能量的质子束。质子束的能量可以达数MeV到几百MeV[11]。强激光加速得到的质子与加速器产生的质子相比具有加速距离短、脉宽窄、空间小和费用较低等优点[12]。常见强激光加速产生质子束机理主要有两个:一种是表面加速机制、另一种是靶背法向鞘层加速机制,也叫背面加速机制[13]。

表面加速机制主要取决于激光脉冲的质动力潜能,在高能量的激光脉冲即I>1018 W/cm2下,电场中一个电子的震动能量超过了其他电子的能量,这样就产生有质动力。当前研究表明,质动力足以加速靶材表面的质子使其能量达到数十MeV。

背面加速机制也叫靶背法向鞘层加速机制(TNSA)[13,14,15],是目前广泛接收的主要加速机制。如图2所示,能量达TW的飞秒激光脉冲聚焦在含有待加速粒子靶材薄膜的表面,高能量激光脉冲与靶材前表面相互作用产生大量的超热电子传输到靶内,热电子到达薄膜靶后表面时产生很强的鞘层电场。鞘层电场强度很高,高达1012 V/m,在非常短的时间内(大约1 ps)直接电离靶后表面的氢原子,同时将质子沿着后表面的法线方向加速形成具有亮度高、尺寸小、方向性好、脉宽短、可控性等特点的质子束。

激光加速离子,发生机制与激光生成质子相近。近些年,人们研究静电激光机制加速离子,使用圆偏振激光与固体靶相互作用,在较短的时间内固体靶被加速多次,产生GeV的准单能离子。

美国加利福尼亚大学洛杉矶分校已故的John M. Dawson是该研究领域的先驱,他在1979年率先提出了这个用等离子体来加速粒子的一般方案。J. Fuchs等人总结了质子加速方面的实验结果,并给出了靶背法向鞘层加速(TNSA)机制的理论解析模型,可以估算加速电场强度及质子截止能量。国内北京大学核物理与核技术国家重点实验室应用物理与技术研究中心颜学庆教授已有一系列激光加速离子的理论成果。中国工程物理研究院激光聚变研究中心高温高密度等离子体国家级重点实验室在飞秒级激光装置SILEX I上也开展了激光驱动质子加速实验的相关研究。

激光驱动质子(离子)等带电粒子加速应用非常广泛[16,17]。如粒子加速、肿瘤的治疗、质子热核熔化点火、放射性物质的转换、X线断层摄影术等方面。激光驱动质子也为激光驱动重离子发生碰撞等研究提供了举足轻重的理论和试验基础,有望用于空间单粒子效应的地面模拟,以及带电粒子辐照累积效应的地面模拟[18]。

(2)激光模拟电子辐射

激光加速电子也是在强激光与物质相互作用下产生的,所得到的电子束能量高、单一性好、空间质量好,能量可达数GeV[19]。

激光等离子体加速中,纵向加速电场在超短超强的脉冲激光的有质动力下产生[20,21]。质动力与激光能量梯度成正比,可以使等离子体中电子与离子在激光束中分离开来。在激光脉冲后方(也称激光尾场),形成运动的纵向电场,激光驱动的尾场加速器可以在短距离内产生GeV的单能电子束。在加利福尼亚州的斯坦福直线加速器中心(SLAC),Blumenfeld和其同事通过将SLAC加速器中出来的高能电子束注入一米长的柱状锂蒸汽而获得驱动加速器[22]如图3示。

如果将起初携带有足够能量的电子注入激光尾场,这样电子在激发场中被俘获并得以加速。最终可获得高能量的电场,其强度大于100 GeV/m。为得到高质量的准单能电子束,有效控制高能电子的注入是其中的关键技术,目前电子的注入主要有两种方法[23,24]。一种方法是使用单一的激光脉冲;另一种使用多个激光脉冲。

激光驱动电子加速技术不仅在医学、生物学、高能物理学和材料科学方面有着重要的应用前景,在空间电子辐射环境模拟技术也具相当的潜在价值。目前,有关空间电子辐射环境地面模拟的文献和工作较少,还有待进一步开展。

2 激光在原子氧环境中的应用

原子氧环境是低地球轨道最危险的环境因素之一。原子氧是低地球轨道环境中的主要成分,是氧分子在太阳辐射作用下分解而来的[25]。航天器在低地球轨道运行的时候,原子氧与航天器的作用,会造成后者上聚合物、复合材料和部分金属的剥蚀,并导致材料的光学性能、电学性能、热学性能、力学性能等退化。另外,原子氧的剥蚀产物还会给航天器表面、热控涂层、光学组件和太阳能电池板等带来污染。这些都会影响航天器的正常运行。

就原子氧与材料相互作用而言,飞行实测具有直观、真实等优点,但同时也有时间长、耗资巨大、不易随时原位检测样品变化等缺点。所以原子氧与材料相互作用的地面模拟就显得非常必要。太空环境中原子氧与航天器的相对速度近7-8 km/s,相当于碰撞能量5 eV左右。在空间环境模拟等同和等效原则前提下,目前有多种模拟方式可以实现地面模拟。按照原子氧束流环境主要分为等离子体中性化束流环境、等离子体环境和激光原子氧束流环境三种方式[26]。其中激光原子氧设备参数更为接近空间真实环境中原子氧能量、真空等条件。

2.1 等离子体中性化束流环境

北京卫星化境工程研究所和兰州物理研究所分别利用微波电子回旋共振技术和微波等离子体同轴源而获得可以满足能量5 eV的中性原子氧束流[27,28]。在工作过程中,其将正离子和负离子束流经电流轰击后聚集并加速以达到合适速度,但其所得原子氧通量较真实环境中小,所以不能与空间环境效果等同。

2.2 等离子体束流环境

北京航空航天大学流体力学研究所利用热阴极灯丝放电可产生等离子体氧束流[29]。经过这种设备获得的束流是原子氧与氧气分子的混合物,原子氧通量一般可以达到空间环境要求,但经过加速的束流速度依旧很小,远远小于空间原子氧能量。

2.3 激光原子氧束流环境

激光技术在原子氧环境的地面模拟中已得到广泛应用[30]。其中,国际上欧洲空间技术研究中心拥有一套世界最先进的脉冲激光原子氧装置[26](如图4所示),其利用高频激光源产生的激光束激发氧气分子来获得具有一定能量的高温等离子体,随后通过自由喷嘴或超音速膨胀以产生高速中性原子氧束,然后将Kapton薄膜和Kapton/Al薄膜暴露在形成的原子氧束流中,高速原子氧作用于薄膜靶,进而研究材料的质量损失、表面形貌和光学性能的改变。此设备相对其他原子氧地面模拟方式具有获得的原子氧纯度高、能量高、辐照面积大、束流大等优点,可以最为真实地接近空间原子氧环境。

国内哈尔滨工业大学拥有一套激光原子氧模拟装置[31],该设备模拟的原子氧能量和束流密度均能达到LEO 环境中的真实情况。腔室内的真空通过涡流泵和回转泵实现,工作气流为Ar气。氧气通过阀门进入喷管,当喷腔内气体部分充满时,来自于CO2激光器的脉冲激光束聚在超音速喷管颈部连续光致放电,产生高温等离子体,在Ar 载体下诱发或直接将氧分子解离为原子氧。通过超音速喷管绝热膨胀,加速到所需能量。最后在腔室可获得一高速冷的中性原子氧束直接与目标材料碰撞。

3 激光在空间碎片环境中应用

空间微小碎片包括自然产生的微流星体和人为产生的碎片。随着人类太空活动日益频繁,空间碎片数量逐年大幅增加,对在轨航天器的威胁日益增加[32,33]。在人类开展航天活动的空间内,特别在低地球轨道(LEO)空间中,空间碎片已被认为是影响航天任务的一个现实问题。空间碎片探测活动表明,空间碎片随尺寸的减少,数量成倍增加。不同数量级的空间碎片撞击航天器的不同部位,造成不同程度的损害。相对于大碎片而言,空间微小碎片单次撞击虽不足以产生严重后果,但由于其数量巨大,长期累积撞击所产生的影响不可忽视[34],如空间碎片的累积效应可以导致光敏、热敏等有效器械功能下降。因此,空间碎片已严重地威胁着在轨航天器的关键暴露器件,成为影响航天器在轨服役寿命与可靠性的重要空间环境因素之一。

空间搭载试验是研究材料空间碎片环境效应最真实可靠的研究途径,但空间搭载实验成本高、技术要求高、周期长,目前只有美国和俄罗斯进行了较多的搭载实验。相对而言,地面模拟试验是空间微小碎片撞击研究经济有效的手段。

美国NASA的Lewis研究中心和马歇尔飞行中心是较早开展空间微小碎片地面模拟试验的单位[35,36]。我国于本世纪初开始关注并研究空间微小碎片,相对起步较晚,研究水平与国外差距仍较大。国内有关单位在“十五”末期和“十一五”期间先后建立起激光驱动、等离子驱动和静电加速等碎片地面模拟试验设备,形成了百μm级和μm级空间碎片高速撞击研究能力。

就空间碎片地面模拟设备而言,主要包括轻气炮、静电粉尘加速器、等离子体驱动加速器、电磁加速器、激光驱动微小碎片加速器、爆炸式加速器、火箭加速器等七类[37]。其中激光驱动飞片技术与其它模拟方法相比,适合于微米级碎片撞击模拟,其结构简单、成本较低、发射碎片粒子种类没有限制、易与试验容器接口、易与其它环境一起组成综合环境模拟设备、没有化学污染和电磁干扰[38]。特别地,相对于其它地面模拟方法,可将撞击试验结果与具体碎片粒子相对应,便于撞击效应与机理的分析评价。激光驱动飞片技术以其充分的可行性和相对简易的操作性,逐渐发展成为空间碎片地面模拟的主要手段[39,40]。

激光驱动飞片技术(如图5)原理是在透明基底材料上粘接或沉积一层金属膜,由于空间环境中空间碎片的平均密度为2.7 kg/m3,所以一般都采用铝薄膜制成飞片靶。当一束高强度脉冲激光透过基底材料入射到金属膜表面,使一小部分金属膜表面瞬间蒸发、气化和电离,产生高温高压的等离子体。由于受基底材料的约束,等离子体产生的高压冲击波作用在入射区前面的剩余金属膜上,使金属薄膜产生张力,当其超过材料的抗拉强度时,在平行于后表面的平面内产生裂纹,这个裂纹可以被认为是材料内部失效或破裂,最终将剩余的金属膜剪切下来,并以高速驱动出去,形成超高速飞片,撞击到试样台上。使用不同的激光能量和光束直径,激光驱动飞片技术可将直径1～3 mm,厚度5～60 μm的铝质飞片驱动到2～20 km/s。在真空腔体中,激光驱动技术主要发射金属材质或非金属材质的单粒子。

4 激光在等离子体环境中的应用

在宇宙空间中,太阳高能电磁辐射、宇宙线和沉降粒子作用于高层大气,使其发生电离而生成电子、正电粒子和中性粒子等,构成等离子体环境。等离子体和航天器相互作用时,容易使航天器发生充放电效应。航天器表面充电会引发材料或电子设备被击穿;放电所发生的电磁辐射会干扰航天器上各种电器设备的正常运作,甚至造成其失效。

目前,据不完全统计,空间等离子体环境地面模拟设备主要有发散场微波ECR、磁镜场微波ECR、空心阴极、多灯丝矩阵和微波谐振腔等[41]。除了上述装置可以作为等离子体源外,也存在脉冲激光烧蚀等离子体[42],也叫激光诱导等离子体,是强激光与物质相互作用后从物质表面烧蚀出来的产物(如图6示)。

脉冲激光烧蚀技术是用一束高能脉冲激光辐射靶材表面,使其表面迅速加热融化蒸发的技术。其工作原理是将具有很高亮度的激光束经透镜聚焦后,能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温,此高温几乎可以融化掉所有的材料。当激光照射到靶材表面时,一部分入射光反射,一部分入射光被吸收,一旦表面吸收的激光能量超过蒸发温度,靶材就会融化蒸发出大量原子、电子和离子,从而在靶材表面形成一个等离子体。脉冲激光与物质相互作用可以产生等离子体,但这种机制用于空间等离子体环境地面模拟的实验和文献还比较少见,所以脉冲激光烧蚀等离子体在空间等离子环境模拟方面的应用还有进一步深入开展。

5 结 论

模拟空间 篇10

关键词：狭缝空间,数值模拟,火蔓延速率,聚氨酯泡沫材料

0引言

建筑火灾是致人死亡最多的火灾种类。随着我国城市化进程的推进和各种新型建筑材料、构件的使用, 对特殊空间和材料属性下火蔓延特点的研究需求也日益增多。例如, 我国高层建筑数量急剧增加, 其外墙保温材料的防火问题成为目前消防的难点和重点。2009年2月9日, 央视的北配楼大火, 2009年4月19日, 南京中环国际广场大火以及2010年10月15日上海静安区高层住宅大火均是由于泡沫保温材料快速燃烧蔓延所导致的严重火灾事故。现在的保温材料一般是固定在不燃的材料中间, 比如幕墙、简易房板, 但是由于质量和安装问题, 一般都会形成缝隙。而在缝隙中保温材料着火, 不容易探测和预防, 容易造成严重后果。

目前国内外对保温材料在狭缝空间内的火蔓延特性的研究还很少, 主要针对的是开放空间中材料的燃烧研究。Yuji Hasemi等学者通过理想实验分析推导了壁面火焰的反馈热流量的分布和火焰高度、火源功率间的关系[1], Quintiere、 Hasemi等人研究了火焰高度与火源功率、反馈辐射热流量间的关系, 并提出几个关键变量间的具体函数关系[2,3,4], Wang、Brehob等人用数值模拟方法研究了壁面火的火焰结构[5,6]。国内黄新杰等人实验研究了不同压力和含氧环境下不同厚度保温材料EPS的火蔓延特性[7,8]。在狭缝内燃烧方面, 国外有学者研究了狭缝底部喷射火的实验分析[9], 但是不涉及壁面材料的燃烧。Wasan等人通过实验和数值模拟的手段对碳化材料在两个间距为10cm或者30cm平板间的火蔓延进行了研究, 发现10cm宽度下火蔓延速度高于30cm, 但是温度却低于30cm。这是由于在宽度小于10cm时, 通风开始受限, 不充分燃烧增多[10,11]。

目前针对狭缝宽度小于10cm下的保温材料的燃烧特性研究还很少, 由于实验研究难度较大, 本文采用CFD技术模拟研究了在狭缝宽度较小的情况下, 泡沫保温材料的火蔓延过程。重点研究分析了狭缝中泡沫材料燃烧时火焰形态的变化、火蔓延速度以及热释放速率和火焰高度的关系。

1数值模拟

1.1计算模型

Fire Dynamic Simulator (FDS) 是一款基于大涡模拟技术, 用于分析烟气输运和火蔓延的场模拟软件。FDS软件可以模拟固体可燃物的热解、燃烧和复杂的传热过程, 其模型参数的确定均有实验验证, 可以有效分析诸多复杂的火蔓延问题。近年来该软件已经成为火灾研究人员进行分析的重要工具[12,13,14,15]。

计算模型如图1所示。在分析火焰形态时, 计算区域相对较小, 泡沫层和外隔板的高度均为1.8m, 宽度为0.5m。分析火蔓延速度时计算区域较大, 泡沫层和外隔板的高度为3.5m, 宽度也为3.5m。两种情况下外隔板均为铁质材料, 假设内墙面绝热。泡沫层厚度均为2cm。火源面积均为5cm×30cm, 火源热释放速率为1MW/m2。分别计算了狭缝宽度为4cm、5cm、6cm和8cm时的情况。

1.2并行计算和网格设置

狭缝空间长宽方向尺度差异很大, 这种尺度上的巨大差距导致网格密度要求很高。采用FDS计算时, 普通PC机一般只能实现100万网格以下的计算, 而多尺度场景的网格量一般在200万以上。所以需要进行多机的并行计算, 本文依托本课题组内部的linux并行计算集群进行计算。该集群由一台服务器和6台高性能计算机节点组成, 可提供48个计算核心, 实现千万级网格的FDS计算。

计算网格量最大时为320万, 并且根据狭缝宽度不同, 有针对性的进行了局部网格加密, 比如在狭缝宽度为4cm时, 火源附近网格尺寸为0.5cm×0.5cm×0.5cm, 以保证计算结果的准确性。

2计算结果和讨论

2.1火焰形态

图2给出了狭缝宽度为5cm、6cm、8cm时壁面温度在40s左右5s内的平均温度图。从温度截面图可以看出, 狭缝宽度不同导致其火焰形态也产生明显的区别。在狭缝宽度大于8cm左右时, 两侧及缝隙正面对贴壁火的新鲜空气的补充还比较充分, 火焰主要在竖直方向发展, 其高温区在中心竖直方向连续蔓延。而随着宽度的减小, 缝隙正面空气补充开始受限, 侧向通风加强, 在5cm、6cm时中心火焰出现分叉。这种火焰形态变化主要是由于在狭缝宽度变小的情况下, 侧向风成为主要补风方式, 并且在狭缝内部形成了明显的涡旋。

图3是狭缝宽度为6cm时靠近泡沫层壁面处的涡旋场。从中可以看出明显的大尺度涡旋结构和火焰中心附近的反向小涡旋。外部的大尺度涡旋拉扯火焰向两侧扩展, 这造成了6 cm时火焰中心温度低, 而两侧出现高温区的现象。

2.2火蔓延速率

壁面材料的垂直火蔓延机理是通过辐射和对流预热未燃区域, 然后热解点燃, 因此火蔓延速度一般取决于火焰高度和热解区长度的差值。Saito, Quintiere, Consalvi等人都曾给出不同的火焰高度定义[16,17], 但是在进行数据处理时一般还是以特定温度的等温线为火焰前端的标准。本文中以500℃的等温线定义为火焰前端。图4给出了在4cm、6cm和8cm缝隙下, 火焰前端随时间变化的数据和其线性拟合线。表1为其拟合公式和各项系数的值。

从计算结果可以看出系数a的值在6cm和8cm下近似, 而4cm下明显高于6cm和8cm的状况。这是因为在4cm情况下火焰更加细长, 所以其初始火焰高度更大。拟合线的斜率即为火蔓延速度, 可以看出其在6cm时相对较大, 这主要是因为在6cm情况下, 由于较强的涡旋存在, 使得竖直火蔓延速度更快。

2.3火焰高度与单位宽度热释放速率

Quintiere等人的研究发现贴壁情况下泡沫等材料的竖直火焰高度与单位宽度的热释放速率存在一定正比关系。Delichatsios[18]的研究中提出具体表达式为:

Hf = k · Q′n (1)

式中, Q′n为单位宽度的热释放速率, k为常数约等于4.6, n也是常数约为0.77。本文研究的情况为狭缝空间材料的火蔓延, 与开放空间下有一定区别。其火焰高度和热释放速率的关系更为复杂, 和狭缝宽度甚至火源宽度都有关系。

图5给出了4cm、6cm和8cm下热释放速率和火焰高度的计算数据和拟合曲线。

表2列出了拟合公式的形式和相关系数值。其表达公式如下:

Hf=a× (Q′-b) c (2)

从公式 (2) 的形式看, 狭缝空间中泡沫层燃烧的火焰高度和单位宽度的热释放速率的关系和Delichatsios等人提出的公式类似, 均为幂次的函数关系, 但是由于狭缝的作用和点火源的形式不同而存在一个单位宽度火源功率校正的系数b。

和Delichatsios的公式比较可以看出a值约为k值的0.3倍, c值约为n值的0.24倍, 即在狭缝内较宽的泡沫材料的火蔓延明显比开放空间下条状泡沫材料速度慢。这主要是受通风限制的影响造成的。

并且从公式 (2) 中可以得出一个重要结论, 当Q′≤b时, Hf将小于0, 即在一定的狭缝宽度下泡沫材料的持续燃烧存在一个最小线热释放速率强度的限制。虽然本文的计算中一直存在外加火源, 其外加火源的线热释放速率强度为50kW/m。但是去除掉外加火源的影响, b值也在20-40kW/m之间。即当材料燃烧的线热释放速率强度小于这个值时, 燃烧将无法持续, 火焰会熄灭。这也反映出在狭缝空间中由于通风的限制, 火蔓延的自我维持只有在一定火势强度下才能发生。

3结论与展望

本文通过对不同狭缝宽度下泡沫材料竖直火蔓延的数值模拟研究发现:

(1) 狭缝宽度在5-6cm左右时, 燃烧时两侧补风成为主要供氧方式, 并形成明显的涡旋场。外部大尺度涡旋将火焰向两侧拉扯, 导致火焰在中心线两侧形成高温火焰区。由于较强的涡旋作用, 其竖直火蔓延速度在6cm时大于4cm和8cm的情况。

(2) 通过数据分析发现, 在狭缝空间中单位宽度热释放速率和火焰高度的关系式可以表示为Hf=a× (Q′-b) c, 这一关系式和Delichatsios等人的研究结果相类似, 但是由于狭缝的作用和点火源的形式不同而存在一个单位宽度火源功率校正的系数b, 并且由于通风限制, 其增长系数a和c明显减小。