云團擴散模型

1、1云團擴散模型根據(jù)物質(zhì)泄漏后所形成的氣云的物理性質(zhì)的不同，可以將描述氣云擴散的模型分為非重氣云模型和重氣云模型兩種5-13。1.1非重氣云模型高斯模型是一種常用的非重氣擴散模型，高斯煙羽(Plume model)模型又稱高架點連續(xù)點源擴散模型，適用于連續(xù)源的擴散，即連續(xù)源或泄放時間大于或等于擴散時間的擴散。高斯煙團(Puff model)模型適用于短時間泄漏的擴散，即泄放時間相對于擴散時間比較短的情形,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)向的煙團濃度分布算式為SQ花試expf號叨吟»(1)式中,3c(x，y, H)點(x，y，H)處濃度值，mg/m；Q源

2、強，即單位時問的排放量，mg/s ;u環(huán)境平均風(fēng)速，m/s;x, d y ,d z擴散參數(shù);h源高（煙團高度），mx 下方向到泄漏原點的距離， m;y，z 側(cè)風(fēng)方向、垂直向上方向離泄漏原點的距離，m=高斯模式的實際應(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、擴散參數(shù)等的確定。源強與污染物的物理化學(xué)屬性、擴散方式、釋放點的地理環(huán)境等有關(guān)。擴散參數(shù)表征大氣邊界層內(nèi)湍流擴散的強弱，是高斯模式的一項重要數(shù)據(jù)。高斯擴散模式所描述的擴散過程（實質(zhì)上也包含了在實際應(yīng)用中對高斯模式的一些限制 ）主要有：1) 下墊面平坦、開闊、性質(zhì)均勻，平均流場穩(wěn)定，不考慮風(fēng)場的切變。2) 擴散過程中，污

3、染物本身是被動、保守的，即污染物和空氣無相對運動，且擴散過程中污染物無 損失、無轉(zhuǎn)化，污染物在地面被反射。3) 擴散在同一溫度層結(jié)中發(fā)生，平均風(fēng)速大于 1.0 m/s 。4) 適用范圍一般小于 1020 km。1.2 重氣云模型由于重氣本身的特殊性，在重氣擴散領(lǐng)域也有大量基于不同理論的模型。鑒于重氣擴散與中性或浮性氣體擴散有著明顯的區(qū)別， 目前國內(nèi)外已開發(fā)大量的不同復(fù)雜程度的重氣擴散模型， 如箱模型、 相似模型、LTA HGDM模 型、CFD模型等。1.2.1 箱(BOX)模型箱模型是指假定濃度、溫度和其他場，在任何下風(fēng)橫截面處為矩形分布等簡單形狀，這里的矩形分布是指在某些空間范圍內(nèi)場是均勻的

4、，而在其他地方為零。該類模型預(yù)報氣云的總體特征，如平均半徑、平 均高度和平均氣云溫度，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)為被動氣體擴散，所 以該類模型還包括被動擴散的高斯模型及對它的修正。1.2.2層流及湍流大氣環(huán)境中的重氣擴散(LTA HGDM模型LTA HGD模型(Heavy Gas Dispersio n Model in Lsami nar and Turbule nt Atmosphere層流及湍流大氣環(huán)境中的重氣擴散模型 ) 以箱模型為基礎(chǔ)，結(jié)合虛點源模型，能描述重氣泄漏擴散整個過程。模型同 三維有限元模型相比，具有形式簡單、原始輸入數(shù)據(jù)運算速度快等優(yōu)點。LTA

5、 HGD模型的建立基于以下幾點假設(shè):1) 危險性氣體初時泄漏時，其外形呈正圓柱形(H=2R) 。2) 初始時刻泄漏源即此核電站內(nèi)部的濃度、溫度呈均勻分布。3) 擴散過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，大氣擴散系數(shù)呈各向同性。6）整個擴散過程中風(fēng)速的大小、方向保持不變。7）地面對泄漏氣體不吸收。8）整個過程中不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)等。放射性氣體的擴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。隨著擴散的進行,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散的

6、主要因素。假設(shè)此放射性氣體排出時的半徑為R,高度為H。認(rèn)為放射性氣體排出的靜壓頭等于空氣的動力拖拽，則其徑向尺寸變化率為(2)(3)b 二 g 仏/tt在式（2）等溫流動或式（3）擴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情況下，b可認(rèn)為是一常數(shù)，其值等于 b。(5)打二鳳山/常其中，= (p0 )pa對式(2)積分,得到：疋=補2叭叫云團體積為一制滬T其中*i =t/rL = V重氣云團的頂部空氣卷吸和側(cè)面空氣卷吸對于云團的稀釋是非常重要的。在垂直方向，由于云團頂部的空氣卷吸和重力沉降的作用，使云團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；Rc的區(qū)在水

7、平方向，由于側(cè)面空氣卷吸的作用，云團邊緣也會形成高斯?fàn)顫舛确植紖^(qū)，但由于重力沉降的 原因，云團半徑逐漸變大，側(cè)面空氣卷吸作用不會很快影響到云團內(nèi)部，因此，可以假設(shè)在半徑為 域內(nèi)，濃度均勻分布。云團內(nèi)部的濃度可表示為式中，ch = c.vQ/v凡可由牛頓迭代法求解：/f2 = +(2ir),/7firfffr+2(7j(7)(8)(9)隨著重氣效應(yīng)的消失，大氣湍流逐漸控制云團的擴散,成高斯分布，可按照高斯煙團模型進行相關(guān)計算。Rc逐漸變小，最終為零。此時整個云團內(nèi)部判斷重氣云團向非重氣云團轉(zhuǎn)變的可以利用尉準(zhǔn)則,當(dāng)R小于臨界 Richardsion 數(shù)時，重氣云團已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵貧庠茍F。文中Ric取

8、為0.1。由于是在大氣湍流環(huán)境下的擴散，因此，擴散系數(shù)來自于重氣沉降引起的湍流擴散和環(huán)境湍流擴散兩方面：(10)般認(rèn)為云團高度就是箱模型中所假設(shè)的圓柱形的高度，即:(11)關(guān)于d ra的計算，C.S.Matthias 通過理論及實驗分析，給出了如下的計算公式:(12)J "沖（I +<fr） 其中，（Trf = Ut/qKi卄噹國悄 其中*心焉幾Rit =RiR/L）2 式中，用町利用如下公式求得：m = V（p0*L2）式中,fc 云團核心半徑，mH云團咼度，m；V云團體積，mi;P o云團初始密度，kg/m3;乂云團初始體積，m ；H)云團初始高度，m t 云團擴散時間，

9、s;l云團特征尺寸，md rg重力沉降引起的徑向擴散系數(shù)，0；d zg重力沉降引起的垂直擴散系數(shù)，m ai云團重力沉降系數(shù);Ric 臨界 Richardsion 數(shù)；Ri Richardsion 數(shù)；R云團半徑，m;g重力加速度，m/s2;3P a空氣密度，kg/m ;.3P 云團內(nèi)部密度， kg/m ;R)云團初始半徑，md云團初始直徑，m 0云團與周圍空氣初始密度差;T 云團擴散特征時間，S ；r ， z 預(yù)測點圓柱坐標(biāo)，m；d ra大氣湍流引起的徑向擴散系數(shù)，md za大氣湍流引起的垂直擴散系數(shù)，ma2， c1， c2 經(jīng)驗常數(shù)；Ri l 特征 Richardsion 數(shù)；U環(huán)境風(fēng)速，m

10、/s。2 系統(tǒng)設(shè)計及功能總體設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)的物理模型確定一個合理的軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。該易燃易爆毒性氣體擴散模擬系統(tǒng)分為高斯模型模塊、BOX模型模塊、LTA HGDM模型模塊，其中:1)高斯模型模塊由擴散濃度隨距離變化的模擬、帶有最小安全距離和擴散濃度值的模擬、固定距離 濃度值計算模塊組成。2)BOX模型模塊、LTA HGDM模型擴散半徑隨時間變化的模擬、擴散濃度隨時間變化模擬、擴散濃 度隨距離變化模擬、固定距離濃度值計算模塊組成。具體系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖 1所示。性飛休擴敵樓擬系址BOXHiVLTA-HGDMffit?最小安全巾離模擬擴»¥徑隨時何模擬擴K濃取n下

11、K向ffim求闔定距髙床度值圖1擴散模擬系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主功能界面及高斯模型、LTA HGDM模型模擬界面如圖 2、圖3、圖4所示。圖2系統(tǒng)主界面型j LJX*»氣SJt廈圖3高斯模型模擬界面Xlta-igw亠 AM -云 BMA4.CIIU|/*)么汀訂*Hf404 (<!/*)MffA-HA圖4 LTA HGDM模型模擬界面3軟件應(yīng)用3.1高斯模型的應(yīng)用3.1.1初始條件以氯氣為例，假設(shè)某化工廠室外有一儲罐，罐內(nèi)壓力為0.9 MPa，溫度為15C，分子量為0.03545kg/mol，絕熱指數(shù)1.310，假設(shè)由于罐體破裂發(fā)生連續(xù)型泄漏，泄漏口面積為 0.02簾，在一個陰天的夜

12、晚儲 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2.1 m/s 。3.1.2 假設(shè)條件設(shè)風(fēng)速方向為 x 軸方向，泄漏源中心地面投影為坐標(biāo)點，假定流場穩(wěn)定，則擴散符合煙羽模型。假設(shè)該大氣穩(wěn)定度為 D,泄漏源強為5.341 kg/s 。3.1.3 模擬計算1) 在圖 3 中的相應(yīng)的文本框中輸入對應(yīng)的參數(shù)，如物質(zhì)選擇為氯氣，泄漏源強為5.341 kg/s ，平均風(fēng)速為2.1 m/s，有效泄漏高度為 6 m，選擇大氣穩(wěn)定度為 D,點擊不同的按鈕，就可得到相應(yīng)的模擬結(jié)果， 如在固定高度輸入 1.5 m ，點擊“下風(fēng)向固定高度不同距離擴散濃度值”按鈕，其結(jié)果如圖5所示，曲線表示下風(fēng)向 1.

13、5 m 高處不同距離的擴散濃度。距離(m)圖5下風(fēng)向1.5 m高處的擴散濃度曲線2) 保持以上參數(shù)，點擊“查看最高允許濃度并顯示最小安全距離”按鈕，即可顯示所評價物質(zhì)的最高允許濃度，如氯氣的最大允許濃度1 mg/m5，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，點擊“確定”按鈕，即可得出該距離下的濃度值0.0021 kg/m 3,如圖7所示。j 査看卜x向固定島度不I' g11肉擴散濃度值r _ _. . _ _.,.*11 .亠_ _

14、_ 一” ”一 . _ - _ . 一請輸入卜風(fēng)向距離12,| m該距離F濃度為；0.002 1 kgAn*m*m負(fù)看臉倍疔濃真并他小欺卜女金覽離.圖7 125m處的濃度值3.2 LTA HGDM模型的應(yīng)用3.2.1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,選取其最危險狀態(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%上，天然氣泄漏后很難計算混合物的相關(guān)狀態(tài)，因此，將LNG看作甲烷計算。322模擬計算1）在圖4的相應(yīng)的文本框中輸入對應(yīng)的參數(shù)，如初始

15、半徑為4 m,初始高度為8 m,云團初始濃度為100 mg/m3，氣云密度為3 kg/m 3，空氣密度為1.29 kg/m 3，云團重力沉降系數(shù)為 0.7，點擊"查看擴散半 徑隨時間變化圖”按鈕，即得出云團擴散半徑隨時間變化的模擬曲線，如圖8所示。(E)0*s-H圖8擴散半徑隨時間變化的模擬時間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點擊“查看擴散濃度時間變化圖”按鈕，即可得出相同距離 15 m下，不同擴散時間上的濃度擴散模擬圖，如圖9所示。圖9不同時間上的濃度擴散模擬圖3）保持以上參數(shù)，在云團擴散時間文本框中輸入數(shù)值，如2 s，點擊“查看擴散濃度隨時間變化圖”按鈕

16、，即可得出在相同擴散時間2s下，不同下風(fēng)向的濃度擴散模擬圖，如圖10所示。4）保持以上參數(shù)，在下風(fēng)向距離文本框中輸入數(shù)值，如25 m，點擊“計算”按鈕即可得出 25 m處的濃度值為1.0479 mg/m 3，如圖11所示。3.5垠度隨下風(fēng)向距離變化曲線0 5 10 15 20 25 30 屯）45 50 5560 65 70 75 80 85 90 95 100時閭圖10不同距離的濃度散模擬圖該距為卜濃度為：L0479 mg/m*na*m圖11 25m處對應(yīng)的濃度值4結(jié)論1）運用非重氣擴散模型中的高斯模型和重氣擴散模型中的Box模型、LTA- HGDM模型進行軟件開發(fā),得出了相關(guān)物理量變化曲線

17、。2）系統(tǒng)實現(xiàn)了非重氣云團擴散模型中的高斯模型模塊，該模塊以氯氣工廠儲灌泄漏擴散為例，完成了固定高度下不同距離上的擴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，同時求出了下風(fēng)向3125 m 處的濃度 0.0021 kg/m 。3）系統(tǒng)實現(xiàn)了重氣云團擴散模型中的LTA- HGDM模型模塊，該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，完成了擴散半徑隨時問變化曲線的模擬、固定時間擴散濃度隨距離變化曲線的模擬以4）使用的語言工具是 JAVA語言，傳統(tǒng)的軟件往往與具體的實現(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軟件進行一番改動，耗時耗力，而JA

18、VA編寫的軟件能在執(zhí)行碼上兼容。這樣，只要計算機提供了JAVA解釋器，JAVA編寫的軟件就能在其上運行。參考文獻1 劉詩飛，詹予忠 . 重大危險源辨識及危害后果分析 M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 20042 吳宗之，高進東 . 危險評價方法與應(yīng)用 M. 北京：冶金工業(yè)出版社， 2001J. 中國安全科學(xué)學(xué)報，J. 中國安全科學(xué)學(xué)報，3 柳靜獻， 常德強，林秀麗等 . 作業(yè)場所職業(yè)危害監(jiān)管信息管理系統(tǒng)開發(fā)2008， 18(3) ：1181224 孟亦飛，蔣軍成 . 化工裝置火災(zāi)、爆炸、毒物擴散危險快速辨識方法2007， 17(6) ：1081135 潘旭海，蔣軍成 . 重氣云團瞬時泄漏擴散的數(shù)值模擬研究 J. 化學(xué)工程， 2003， 31（1） ：356 張啟平，麻德賢 . 危險物泄漏擴散過程的重氣效應(yīng) J. 北京化工大學(xué)學(xué)報， 1998， 25(3) ： 86907