云團(tuán)擴(kuò)散模型（精編版）

1、1 云團(tuán)擴(kuò)散模型根據(jù)物質(zhì)泄漏后所形成的氣云的物理性質(zhì)的不同，可以將描述氣云擴(kuò)散的模型分為非重氣云模型和重氣云模型兩種5-13。非重氣云模型高斯模型是一種常用的非重氣擴(kuò)散模型，高斯煙羽(plume model)模型又稱高架點(diǎn)連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模型，適用于連續(xù)源的擴(kuò)散，即連續(xù)源或泄放時(shí)間大于或等于擴(kuò)散時(shí)間的擴(kuò)散。高斯煙團(tuán) (puff model)模型適用于短時(shí)間泄漏的擴(kuò)散，即泄放時(shí)間相對(duì)于擴(kuò)散時(shí)間比較短的情形，如突發(fā)性泄放等。若假設(shè)氣體云內(nèi)空間上的分布為高斯分布，則地面地處風(fēng)向的煙團(tuán)濃度分布算式為式中，c(x ， y，h)點(diǎn) (x ，y，h)處濃度值， mg/m3；q 源強(qiáng)，即單位時(shí)問(wèn)的排放量，mg/s

2、；u環(huán)境平均風(fēng)速，m/s；x，y，z擴(kuò)散參數(shù)；h源高 ( 煙團(tuán)高度 ) ，m ；x下方向到泄漏原點(diǎn)的距離，m ；y，z側(cè)風(fēng)方向、垂直向上方向離泄漏原點(diǎn)的距離，m 。高斯模式的實(shí)際應(yīng)用效果很大程度上依賴于如何給定模式中的一些參數(shù)，尤其要注意源強(qiáng)、擴(kuò)散參數(shù)等的確定。源強(qiáng)與污染物的物理化學(xué)屬性、擴(kuò)散方式、釋放點(diǎn)的地理環(huán)境等有關(guān)。擴(kuò)散參數(shù)表征大氣邊界層內(nèi)湍流擴(kuò)散的強(qiáng)弱，是高斯模式的一項(xiàng)重要數(shù)據(jù)。高斯擴(kuò)散模式所描述的擴(kuò)散過(guò)程( 實(shí)質(zhì)上也包含了在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)高斯模式的一些限制) 主要有：1) 下墊面平坦、開(kāi)闊、性質(zhì)均勻，平均流場(chǎng)穩(wěn)定，不考慮風(fēng)場(chǎng)的切變。2) 擴(kuò)散過(guò)程中，污染物本身是被動(dòng)、保守的，即污染物和

3、空氣無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且擴(kuò)散過(guò)程中污染物無(wú)損失、無(wú)轉(zhuǎn)化，污染物在地面被反射。3) 擴(kuò)散在同一溫度層結(jié)中發(fā)生，平均風(fēng)速大于 m/s 。4) 適用范圍一般小于1020 km。重氣云模型由于重氣本身的特殊性，在重氣擴(kuò)散領(lǐng)域也有大量基于不同理論的模型。鑒于重氣擴(kuò)散與中性或浮性氣體擴(kuò)散有著明顯的區(qū)別，目前國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)大量的不同復(fù)雜程度的重氣擴(kuò)散模型，如箱模型、 相似模型、ltahgdm 模型、 cfd模型等。箱(box)模型箱模型是指假定濃度、溫度和其他場(chǎng)，在任何下風(fēng)橫截面處為矩形分布等簡(jiǎn)單形狀，這里的矩形分布是指在某些空間范圍內(nèi)場(chǎng)是均勻的，而在其他地方為零。該類模型預(yù)報(bào)氣云的總體特征，如平均半徑、平均高度和

4、平均氣云溫度，而不考慮其在空間上的細(xì)節(jié)特征。重氣效應(yīng)消失后其行為表現(xiàn)為被動(dòng)氣體擴(kuò)散，所以該類模型還包括被動(dòng)擴(kuò)散的高斯模型及對(duì)它的修正。層流及湍流大氣環(huán)境中的重氣擴(kuò)散(ltahgdm) 模型lta hgdm 模型 (heavy gas dispersion model in lsaminar and turbulent atmosphere層流及湍流大氣環(huán)境中的重氣擴(kuò)散模型) 以箱模型為基礎(chǔ)，結(jié)合虛點(diǎn)源模型，能描述重氣泄漏擴(kuò)散整個(gè)過(guò)程。模型同三維有限元模型相比，具有形式簡(jiǎn)單、原始輸入數(shù)據(jù)運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。lta hgdm 模型的建立基于以下幾點(diǎn)假設(shè)：1) 危險(xiǎn)性氣體初時(shí)泄漏時(shí)，其外形呈正圓柱形(

5、h=2r)。2) 初始時(shí)刻泄漏源即此核電站內(nèi)部的濃度、溫度呈均勻分布。3) 擴(kuò)散過(guò)程不考慮泄漏源即此核電站內(nèi)部溫度的變化，忽略熱傳遞、熱對(duì)流及熱輻射。4) 泄漏氣體認(rèn)為是理想氣體，遵守理想氣體狀態(tài)方程。5) 在水平方向上，大氣擴(kuò)散系數(shù)呈各向同性。6) 整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中風(fēng)速的大小、方向保持不變。7) 地面對(duì)泄漏氣體不吸收。8) 整個(gè)過(guò)程中不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)等。放射性氣體的擴(kuò)散受其自身重力沉降引起的湍流及周圍大氣的湍流的雙重影響。隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，放射性氣體的濃度被稀釋，重氣效應(yīng)逐漸消失，大氣湍流逐漸成為控制此放射性氣體擴(kuò)散的主要因素。假設(shè)此放射性氣體排出時(shí)的半徑為r，高度為h。認(rèn)為放射性氣體排出的靜

6、壓頭等于空氣的動(dòng)力拖拽，則其徑向尺寸變化率為在式 (2) 等溫流動(dòng)或式(3) 擴(kuò)散氣體與空氣具有相同的摩爾比熱及地面加熱可以忽略的非等溫流動(dòng)情況下， b 可認(rèn)為是一常數(shù)，其值等于b0。重氣云團(tuán)的頂部空氣卷吸和側(cè)面空氣卷吸對(duì)于云團(tuán)的稀釋是非常重要的。在垂直方向，由于云團(tuán)頂部的空氣卷吸和重力沉降的作用，使云團(tuán)在垂直方向上的濃度分布呈現(xiàn)出從頂部到底部逐漸變大的高斯分布；在水平方向，由于側(cè)面空氣卷吸的作用，云團(tuán)邊緣也會(huì)形成高斯?fàn)顫舛确植紖^(qū)，但由于重力沉降的原因，云團(tuán)半徑逐漸變大，側(cè)面空氣卷吸作用不會(huì)很快影響到云團(tuán)內(nèi)部，因此，可以假設(shè)在半徑為rc 的區(qū)域內(nèi)，濃度均勻分布。云團(tuán)內(nèi)部的濃度可表示為隨著重氣效

7、應(yīng)的消失，大氣湍流逐漸控制云團(tuán)的擴(kuò)散，rc逐漸變小，最終為零。此時(shí)整個(gè)云團(tuán)內(nèi)部成高斯分布，可按照高斯煙團(tuán)模型進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。判斷重氣云團(tuán)向非重氣云團(tuán)轉(zhuǎn)變的可以利用尉準(zhǔn)則，當(dāng) ri小于臨界richardsion數(shù)時(shí)， 重氣云團(tuán)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵貧庠茍F(tuán)。文中ric 取為。由于是在大氣湍流環(huán)境下的擴(kuò)散，因此，擴(kuò)散系數(shù)來(lái)自于重氣沉降引起的湍流擴(kuò)散和環(huán)境湍流擴(kuò)散兩方面：一般認(rèn)為云團(tuán)高度就是箱模型中所假設(shè)的圓柱形的高度，即：關(guān)于 ra的計(jì)算，通過(guò)理論及實(shí)驗(yàn)分析，給出了如下的計(jì)算公式：式中，rc云團(tuán)核心半徑，m ；h云團(tuán)高度，m ；v云團(tuán)體積，m3；0云團(tuán)初始密度，kg/m3；v0云團(tuán)初始體積，m3；h0云團(tuán)初始

8、高度，m ；t 云團(tuán)擴(kuò)散時(shí)間，s；l云團(tuán)特征尺寸，m ；rg重力沉降引起的徑向擴(kuò)散系數(shù)，m ；zg重力沉降引起的垂直擴(kuò)散系數(shù)，m ；a1云團(tuán)重力沉降系數(shù)；ric 臨界richardsion數(shù)；ri richardsion數(shù)；r云團(tuán)半徑，m ；g重力加速度，m/s2；a空氣密度，kg/m3；云團(tuán)內(nèi)部密度，kg/m3；r0云團(tuán)初始半徑，m ；d0云團(tuán)初始直徑，m ；0云團(tuán)與周圍空氣初始密度差；云團(tuán)擴(kuò)散特征時(shí)間，s；r ，z預(yù)測(cè)點(diǎn)圓柱坐標(biāo)，m ；ra大氣湍流引起的徑向擴(kuò)散系數(shù)，m ；za大氣湍流引起的垂直擴(kuò)散系數(shù)，m ；a2，c1，c2經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；ril特征richardsion數(shù)；u環(huán)境風(fēng)速，m/s

9、。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能總體設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)的物理模型確定一個(gè)合理的軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。該易燃易爆毒性氣體擴(kuò)散模擬系統(tǒng)分為高斯模型模塊、box模型模塊、 ltahgdm 模型模塊，其中：1) 高斯模型模塊由擴(kuò)散濃度隨距離變化的模擬、帶有最小安全距離和擴(kuò)散濃度值的模擬、固定距離濃度值計(jì)算模塊組成。2)box 模型模塊、 lta hgdm 模型擴(kuò)散半徑隨時(shí)間變化的模擬、擴(kuò)散濃度隨時(shí)間變化模擬、擴(kuò)散濃度隨距離變化模擬、固定距離濃度值計(jì)算模塊組成。具體系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖 1 擴(kuò)散模擬系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主功能界面及高斯模型、ltahgdm 模型模擬界面如圖2、圖 3、圖 4 所示。圖 2

10、系統(tǒng)主界面圖 3 高斯模型模擬界面圖 4 ltahgdm 模型模擬界面3 軟件應(yīng)用高斯模型的應(yīng)用初始條件以氯氣為例，假設(shè)某化工廠室外有一儲(chǔ)罐，罐內(nèi)壓力為 mpa，溫度為15，分子量為 kg/mol ，絕熱指數(shù)，假設(shè)由于罐體破裂發(fā)生連續(xù)型泄漏，泄漏口面積為 m2，在一個(gè)陰天的夜晚儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏，有效泄漏高度為 6 m，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，風(fēng)速為 m/s 。假設(shè)條件設(shè)風(fēng)速方向?yàn)閤 軸方向，泄漏源中心地面投影為坐標(biāo)點(diǎn)，假定流場(chǎng)穩(wěn)定，則擴(kuò)散符合煙羽模型。假設(shè)該大氣穩(wěn)定度為d，泄漏源強(qiáng)為 kg/s 。模擬計(jì)算1) 在圖 3 中的相應(yīng)的文本框中輸入對(duì)應(yīng)的參數(shù)，如物質(zhì)選擇為氯氣，泄漏源強(qiáng)為 kg/s ，平均風(fēng)速

11、為 m/s ，有效泄漏高度為6 m，選擇大氣穩(wěn)定度為d，點(diǎn)擊不同的按鈕，就可得到相應(yīng)的模擬結(jié)果，如在固定高度輸入 m，點(diǎn)擊“下風(fēng)向固定高度不同距離擴(kuò)散濃度值”按鈕，其結(jié)果如圖5 所示，曲線表示下風(fēng)向 m高處不同距離的擴(kuò)散濃度。圖 5 下風(fēng)向 m 高處的擴(kuò)散濃度曲線2) 保持以上參數(shù)，點(diǎn)擊“查看最高允許濃度并顯示最小安全距離”按鈕，即可顯示所評(píng)價(jià)物質(zhì)的最高允許濃度，如氯氣的最大允許濃度1 mg/m3，并根據(jù)此濃度模擬出安全疏散所需要的最小安全距離，如圖6所示。圖 6 人群疏散的最小安全距離3) 保持以上參數(shù)，輸入相應(yīng)的下風(fēng)向距離，即可計(jì)算固定高度在該距離下的具體濃度。如輸入下風(fēng)向距離 125 m

12、，點(diǎn)擊“確定”按鈕，即可得出該距離下的濃度值 kg/m3，如圖 7 所示。圖 7 125m 處的濃度值 ltahgdm 模型的應(yīng)用初始條件以大連市某韓資企業(yè)內(nèi)的液化氣瓶組站發(fā)生泄漏為例，該瓶組站內(nèi)共有50 kg 液化天然氣鋼瓶8 臺(tái)，選取其最危險(xiǎn)狀態(tài)即液化氣鋼瓶破裂導(dǎo)致瓶組站內(nèi)的所有液化氣全部瞬時(shí)泄漏，相關(guān)氣象資料根據(jù)該公司提供的資料查得。由于lng主要成分甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在90% 以上，天然氣泄漏后很難計(jì)算混合物的相關(guān)狀態(tài)，因此，將lng看作甲烷計(jì)算。模擬計(jì)算1) 在圖 4 的相應(yīng)的文本框中輸入對(duì)應(yīng)的參數(shù)，如初始半徑為4 m，初始高度為8 m，云團(tuán)初始濃度為 100 mg/m3，氣云密度為3

13、kg/m3，空氣密度為 kg/m3，云團(tuán)重力沉降系數(shù)為，點(diǎn)擊“查看擴(kuò)散半徑隨時(shí)間變化圖”按鈕，即得出云團(tuán)擴(kuò)散半徑隨時(shí)間變化的模擬曲線，如圖8 所示。圖 8 擴(kuò)散半徑隨時(shí)間變化的模擬2) 保持以上參數(shù)，在下風(fēng)向距離文本框中輸入數(shù)值，如15 m ，點(diǎn)擊“查看擴(kuò)散濃度時(shí)間變化圖”按鈕，即可得出相同距離15 m 下，不同擴(kuò)散時(shí)間上的濃度擴(kuò)散模擬圖，如圖9 所示。圖 9 不同時(shí)間上的濃度擴(kuò)散模擬圖3) 保持以上參數(shù)， 在云團(tuán)擴(kuò)散時(shí)間文本框中輸入數(shù)值，如 2 s， 點(diǎn)擊“查看擴(kuò)散濃度隨時(shí)間變化圖”按鈕，即可得出在相同擴(kuò)散時(shí)間2 s 下，不同下風(fēng)向的濃度擴(kuò)散模擬圖，如圖10 所示。4) 保持以上參數(shù)，在下風(fēng)

14、向距離文本框中輸入數(shù)值，如25 m，點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕即可得出25 m 處的濃度值為 mg/m3，如圖 11 所示。圖 10 不同距離的濃度散模擬圖圖 11 25m 處對(duì)應(yīng)的濃度值4 結(jié)論1) 運(yùn)用非重氣擴(kuò)散模型中的高斯模型和重氣擴(kuò)散模型中的box 模型、lta hgdm 模型進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，得出了相關(guān)物理量變化曲線。2) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了非重氣云團(tuán)擴(kuò)散模型中的高斯模型模塊，該模塊以氯氣工廠儲(chǔ)灌泄漏擴(kuò)散為例，完成了固定高度下不同距離上的擴(kuò)散濃度值曲線的模擬和不同物質(zhì)最小安全距離曲線的模擬，同時(shí)求出了下風(fēng)向125 m 處的濃度 kg/m3。3) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了重氣云團(tuán)擴(kuò)散模型中的ltahgdm 模型模塊， 該

15、模塊以大連市某韓資企業(yè)內(nèi)的液化氣瓶組站發(fā)生泄漏為例，完成了擴(kuò)散半徑隨時(shí)問(wèn)變化曲線的模擬、固定時(shí)間擴(kuò)散濃度隨距離變化曲線的模擬以及對(duì)固定距離擴(kuò)散濃度隨時(shí)問(wèn)變化曲線的模擬，同時(shí)計(jì)算出固定擴(kuò)散時(shí)間下風(fēng)向25 m 處的濃度 mg/m3。4) 使用的語(yǔ)言工具是java語(yǔ)言，傳統(tǒng)的軟件往往與具體的實(shí)現(xiàn)環(huán)境( 操作系統(tǒng)，如 linux ， win-dows)有關(guān)，一旦環(huán)境有所變化就需要對(duì)軟件進(jìn)行一番改動(dòng)，耗時(shí)耗力，而java 編寫的軟件能在執(zhí)行碼上兼容。這樣，只要計(jì)算機(jī)提供了java解釋器， java編寫的軟件就能在其上運(yùn)行。參考文獻(xiàn)1 劉詩(shī)飛，詹予忠. 重大危險(xiǎn)源辨識(shí)及危害后果分析m. 北京：化學(xué)工業(yè)出版

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