氣體擴(kuò)散濃度計(jì)算模型介紹-共70頁P(yáng)PT課件

1、氣體擴(kuò)散濃度計(jì)算模型介紹華東理工大學(xué)沈艷濤2019.8.31第一部分?jǐn)U散過程與模型分類介紹相關(guān)背景污染性泄露大氣污染性泄露的形式：自然方面：火山噴發(fā)的有害氣體，某些物質(zhì)自燃或在一定條件下產(chǎn)生的有毒氣體，環(huán)境微生物產(chǎn)生的某些氣體日常生活方面：生活用煤產(chǎn)生的含氮硫氧氣體石化燃料動(dòng)力的交通車輛產(chǎn)生的尾氣將在一定氣候下生成光化學(xué)霧工業(yè)用氣體的泄漏，特別是化學(xué)工業(yè)用到的大量的有毒有害，易燃易爆的氣體其他方面產(chǎn)生的一些氣體及煙塵可能造成的傷害1、SOx,NOX,光氣：口腔，呼吸道與肺部病變，皮膚病2、液NH3,液Cl2等在管道破口噴射引起凍傷及化學(xué)毒性與環(huán)境危害3、爆炸性氣體的爆炸性危害4、.常見的泄露形

2、式:管道破損后的連續(xù)噴射煙羽常見的泄露源:爆炸形成瞬時(shí)泄露煙團(tuán)擴(kuò)散過程研究不同性質(zhì)氣體在不同條件下表現(xiàn)出不同的特征觀察者對過程特征的選取重氣擴(kuò)散過程 四個(gè)階段初始階段：物質(zhì)從容器泄漏出，形成氣云后在本身的慣性力和外界風(fēng)速的作用下，上升變形；重力沉降階段和空氣卷吸階段：當(dāng)氣云初始動(dòng)量消失后，重力占主導(dǎo)地位。由于云團(tuán)與周圍空氣間的密度差，導(dǎo)致重氣塌陷，沿地表面拓展，引起云團(tuán)厚度的降低和徑向尺寸的增大，而在大氣湍流的作用下外界空氣進(jìn)入云團(tuán)，即空氣卷吸，云團(tuán)被稀釋，同時(shí)由于初始泄漏云團(tuán)與周圍環(huán)境的溫度差異而進(jìn)行熱量交換；非重氣擴(kuò)散轉(zhuǎn)變：隨著云團(tuán)的稀釋沖淡，重氣效應(yīng)逐漸消失，重氣擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵貧鈹U(kuò)散；大

3、氣湍流擴(kuò)散階段(被動(dòng)擴(kuò)散)：即大氣湍流對云團(tuán)的擴(kuò)散起支配作用。輕氣擴(kuò)散過程物質(zhì)從容器泄漏出，形成氣云后在本身的慣性力和外界風(fēng)速的作用下，上升變形。中性氣擴(kuò)散過程兩個(gè)階段初始階段：物質(zhì)從容器泄漏出，形成氣云后在本身的慣性力和外界風(fēng)速的相互作用；大氣湍流擴(kuò)散階段：即大氣湍流對云團(tuán)的擴(kuò)散起支配作用。過程中變異性問題源與邊界的差異性及弱化溫度差異密度差異氣體泄漏擴(kuò)散研究方法試驗(yàn)法風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)法模型法試驗(yàn)法試驗(yàn)數(shù)據(jù)問題特點(diǎn)模型驗(yàn)證特征提取與?；L(fēng)洞實(shí)驗(yàn)比例氣體擴(kuò)散濃度計(jì)算模型分類重氣泄漏擴(kuò)散的數(shù)值模擬方法依據(jù)各自的建模原理以及復(fù)雜程度可分為五類 :第一類：唯像模型第二類：箱及相似模型第三類淺層模式模型第四類

4、：三維模式模型第五類隨機(jī)游走模式模型第一類：唯像模型唯像模型是由一系列圖表或簡單關(guān)系式來描述擴(kuò)散行為的。Britter and McQuaid在重氣擴(kuò)散手冊中推薦了一套簡單而實(shí)用的方程式和列線圖，稱之為B&M模型，他們是收集了許多重氣擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果，以無因次的形式將數(shù)據(jù)連線并繪制成與數(shù)據(jù)匹配的曲線或列線圖。模型特點(diǎn)與適用該模型比較簡單，屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，外延性較差，可以用于確定工廠警戒線處產(chǎn)生主要影響的基本物理因素。德國的VDI模型也采用了與BM模型類似的處理方法。B&M模型表達(dá)式Cm，C0分別為氣云橫截面上的平均濃度、初始濃度，kgm-3；Vc0為連續(xù)煙流釋放的初始?xì)庠企w積流量

5、，m3s-1；Vi0為瞬時(shí)煙團(tuán)釋放的初始?xì)庠企w積，m3；u為10m高處的風(fēng)速，ms-1；g0為初始的折算重力項(xiàng)，g0g(0-a)/a，0，a分別為初始?xì)庠泼芏群屯饨缈諝饷芏?；fc,fi普遍化無因次函數(shù)。第二類：箱及相似模型箱模型和相似模型都是假定濃度、溫度等在任何下風(fēng)向橫截面均滿足一個(gè)簡單分布，箱模型假定濃度、穩(wěn)定等在箱內(nèi)是均勻分布的，其它區(qū)域?yàn)?；而相似模型則假定模型內(nèi)符合相似分布（如高斯分布）等簡單形狀。 模型常使用的相關(guān)假定(1)危險(xiǎn)性氣體初始泄漏時(shí)，其外形呈正圓柱形( H2R)或在某規(guī)則區(qū)域正態(tài)分布；(2)初始時(shí)刻云團(tuán)內(nèi)部的濃度、溫度呈均勻分布；(3)擴(kuò)散過程中不考慮云團(tuán)內(nèi)部溫度的變化

6、，忽略熱傳遞、熱對流及熱輻射；(4)泄漏氣體是理想氣體，遵守理想氣體狀態(tài)方程；(5)在水平方向，大氣擴(kuò)散系數(shù)呈各向同性；(6)整個(gè)擴(kuò)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(gè)過程中不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)等。箱模型實(shí)例（by Van Ulden，1970）對于重氣瞬時(shí)泄漏形成的云團(tuán)，一般把箱模型看作為一個(gè)圓柱形，如Van Ulden（1970年）提出將重氣煙團(tuán)當(dāng)作一個(gè)初始體積為V0，初始高度為H0，初始半徑為R0的圓柱形，高度和半徑隨時(shí)間變化，與被動(dòng)擴(kuò)散的高斯模型相比，主要改進(jìn)是考慮到云團(tuán)的重力沉降現(xiàn)象，即在重力作用下，云團(tuán)下沉，半徑R增加，同時(shí)高度H減小。箱模型實(shí)例（

7、by Van Ulden，1970）r，a為氣云的“參考”密度和空氣密度，kgm-3；K為常數(shù)。 對于重氣連續(xù)泄漏形成的煙羽，一般把箱模型看作一個(gè)矩形，如Jagger在Fryer & Kaiser提出的煙團(tuán)模型DENZ的基礎(chǔ)上，開發(fā)了相應(yīng)的煙流模型CRUNCH，用來模擬穩(wěn)態(tài)連續(xù)泄漏。模型假定高為H、寬為2L的矩形截面，原先半徑和高度隨時(shí)間變化的微分方程變成半寬和高度隨下風(fēng)距離變化的方程，原先徑向重力擴(kuò)散速度變成了側(cè)向重力擴(kuò)散速度。箱模型對重氣研究基本假定箱模型：重性氣云早期擴(kuò)展擴(kuò)散的過程中還考慮到周邊空氣的卷吸。早期的研究者在Van Ulden的重氣云實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出空氣由模型的頂部卷吸進(jìn)來是

8、占主導(dǎo)作用的，隨著更深入的認(rèn)識，很多研究者，如Hanna & Drivas和Mcquaid都一致認(rèn)為空氣是從模型的頂部和側(cè)面同時(shí)卷吸進(jìn)來的，卷吸的速度受Richardson、縱向湍流速度、大氣穩(wěn)定度、風(fēng)速、摩擦風(fēng)速等影響。由于不同的箱模型采用了不同的空氣卷吸參數(shù)，從而導(dǎo)致了不同的模式計(jì)算結(jié)果的差別是很大的。隨著云團(tuán)的稀釋沖淡過程，重氣效應(yīng)逐步地消失，當(dāng)重氣擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵貧鈹U(kuò)散時(shí)，大氣湍流對云團(tuán)的擴(kuò)散起支配作用，云團(tuán)的高度、半徑及運(yùn)行狀態(tài)完全取決于大氣湍流特性，實(shí)際上氣體的濃度分布開始接近為高斯形狀，仍然假定為均勻就不再合理。因此箱模型通常都有從均勻氣云向高斯分布的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即重氣擴(kuò)散向非重氣擴(kuò)散

9、的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，采用理查遜數(shù)、沉降速度和速度尺度的關(guān)系，或者運(yùn)用云團(tuán)密度與周圍空氣的密度差來判斷。箱模型：重性氣向非重氣的轉(zhuǎn)折箱模型其他研究情況介紹Manju（2019）在總結(jié)以前學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，開發(fā)了T Heavy Gas Models模型，可以用于模擬重氣瞬時(shí)泄漏擴(kuò)散和連續(xù)泄漏擴(kuò)散。擴(kuò)散模型包括了重力沉降、空氣卷吸、云團(tuán)受熱和向非重氣云團(tuán)過渡。對擴(kuò)散過程中的重力沉降系數(shù)、頂部卷吸系數(shù)和側(cè)面卷吸系數(shù)的取值進(jìn)行了分析比較，提出了建議取值，并提出利用云團(tuán)密度與周圍空氣密度差小于0.001Kg/m3來判斷云團(tuán)是否過渡為非重氣云團(tuán)。模型驗(yàn)證情況T Heavy Gas Models瞬時(shí)泄漏擴(kuò)散模型對Tho

10、rney Island Tests系列試驗(yàn)下風(fēng)向不同距離的泄漏物質(zhì)最大濃度進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，T Heavy Gas Models連續(xù)泄漏擴(kuò)散模型對Maplin Sands Tests系列試驗(yàn)下風(fēng)向不同距離的泄漏物質(zhì)最大濃度進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，兩個(gè)試驗(yàn)的模擬結(jié)果都是較好的，基本上反映了重氣的擴(kuò)散情形。驗(yàn)證試驗(yàn)名 稱項(xiàng)目BurroCoyoteDesert TortoiseGoldfishMaplin SandsThorney island(瞬時(shí))Thorney island(連續(xù))試驗(yàn)次數(shù)83431292試驗(yàn)介質(zhì)LNGLNGNH3HFLNG氟里昂氮?dú)夥锇旱獨(dú)庑狗判螒B(tài)沸點(diǎn)重氣沸點(diǎn)重氣二相重氣二相重氣沸點(diǎn)

11、重氣氣體重氣氣體重氣泄放總量/kg10700173006500127001000036800350003800010006600315087004800泄放時(shí)間/s79190659812638112536060360瞬時(shí)460泄放表面水水沙土沙土水沙土沙土表面粗糙度R0.00020.00020.0030.0030.00030.0050.0180.01大氣穩(wěn)定等級CECDDEDDDFEF擴(kuò)散最遠(yuǎn)距離/m140800300400803000460650500800472試驗(yàn)時(shí)間1982年1983年1985年1987年1984年1985年1985年相似模型介紹相似模型主要是針對HEGADAS以及以H

12、EGADAS為基礎(chǔ)開發(fā)的模型。相似模型是對箱模型概念的擴(kuò)展，考慮了氣云內(nèi)部濃度和速度的分布，并采取了湍流擴(kuò)散系數(shù)而非空氣卷吸速度的方法。殼牌公司HEGADAS模型是HGSYSTEM系統(tǒng)軟件包的重要組成部分，HEGADAS模型即有處理穩(wěn)定連續(xù)釋放的定常態(tài)版本，也有預(yù)報(bào)來自液化氣液池蒸發(fā)在中等或高風(fēng)下擴(kuò)散的瞬間版本。DEGADIS模型是在HEGADAS模型基礎(chǔ)上作的改進(jìn)，是美國海岸警衛(wèi)隊(duì)和氣體研究院開發(fā)的。相似模型特點(diǎn)與適用箱及相似模型具有概念清晰、計(jì)算量較小等優(yōu)點(diǎn)，可為危險(xiǎn)評價(jià)、應(yīng)急救援、制定控制措施等提供指導(dǎo)。但其自身也存在著局限性，如假定速度和濃度的相似分布，模擬的精度較差，重氣云團(tuán)向非重氣

13、云團(tuán)過渡也存在著很大的不確定性。已開發(fā)的相似模型簡介SAFER、TRACE模型（在Kaiser和Walker提出模型的基礎(chǔ)上開發(fā)的）CONSEQ、PHAST、WHAZAN、SAFETI模型（在Cox和Carpenter提出模型的基礎(chǔ)上開發(fā)的）DENZ、DRIFT、CIGALE 2、SLOPEFMI模型（在Fryer和Kaiser提出模型的基礎(chǔ)上開發(fā)的）HEGADAS、HEGABOX、HGSYSTEM模型（Colenbrander）T HEAVY GAS MODELS模型（MANJU MOHAN , T. S. PANWAR 和M. P. SINGH）CHARM、ELOE模型（Eidsvik）等

14、等第三類淺層模式模型淺層模式模型，是對重氣擴(kuò)散的控制方程加以簡化來描述其物理過程，是對于三維模式模型和簡單箱模型的折衷。它是基于淺層理論（淺水近似）推廣得到的，模型采用了厚度平均變量來描述流場特征，有利于考慮復(fù)雜地形的重氣擴(kuò)散情況。淺層模式模型思想該模型需要計(jì)算氣云的寬度和高度，是擬三維的。側(cè)風(fēng)濃度分布應(yīng)用相似分布確定，氣云與環(huán)境大氣的混合運(yùn)用卷吸概念處理。不少專家對淺層模型進(jìn)行了進(jìn)一步開發(fā)，Wheatley & Webber對卷吸和熱量傳遞的淺層模型進(jìn)行了推導(dǎo)。Errnak等將淺層模型發(fā)展為SLAB模型，包括求解質(zhì)量、組分、下風(fēng)動(dòng)量、側(cè)風(fēng)動(dòng)量和能量的側(cè)風(fēng)平均守恒方程，以及氣云寬度方程和理想氣

15、體狀況方程。淺層模式模型適用性常用于非互溶的流體中 此類模型有：SHALLOW（Webber等）TWODEE（Hankin和Britter）DISPLAY1, DISPLAY2（wrtz等）等等第四類：三維模式模型該模型采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法模擬重氣得到三維非定常態(tài)湍流流動(dòng)過程。這種數(shù)值方法是通過建立各種條件下的基本守恒方程（包括質(zhì)量、動(dòng)量、能量及組分等），結(jié)合一些初始條件和邊界條件，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算理論和方法，求解NavierStokes方程，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)真實(shí)過程各種場的分布。FEM3介紹比較有代表的是FEM3（3-D Finite Element Model）模型，該模型在1979年提出，

16、最初是為了模擬LNG的突發(fā)性泄放，獲得比較好的結(jié)果。該模型所用有限元解法是由Galerkin法改進(jìn)而來，主要可解不定常的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、熱量方程、擴(kuò)散方程以及理想方程氣體狀態(tài)方程，用K理論（梯度輸運(yùn)理論）來處理湍流問題。已經(jīng)開發(fā)的模型在此基礎(chǔ)上一些科研人員已經(jīng)開發(fā)了一些模型，有：SIGMET（英國）、TRANSLOC（Schnatz和Flothmann）、FEM3（Chan等）、ZEPHRY（Hertel和Teuscher）、MARIAH（Taft）、HEAVYGAS（Deaves）、MERCURE（Riou）、ADREA-HF（Bartzis）、MERADIS（Vergison等）等等

17、26。三維模式模型優(yōu)點(diǎn)三維模式模型克服了箱及相似模型中辨別和模擬重力下沉、空氣卷吸、氣云受熱等物理效應(yīng)時(shí)所遇到的許多問題，能更好地描述重氣在大氣湍流運(yùn)動(dòng)中的物理現(xiàn)象，具有廣泛的通用性，并且能夠描述障礙物或明顯的地形變化的復(fù)雜擴(kuò)散過程。該方法成本低廉，物理場景數(shù)學(xué)模型搭建靈活性強(qiáng)，因而日益受到研究者的重視。當(dāng)前的研究不僅在于建立深入刻畫過程的數(shù)學(xué)模型如N-S方程組及其封閉性邊界構(gòu)成的模型（如k-模式），計(jì)算過程如網(wǎng)格劃分，收斂性討論等也得到了深入的研究。與此同時(shí)，適用于工程目的的專業(yè)軟件如fluent等已經(jīng)受到了業(yè)界的認(rèn)可和推崇。三維模式模型缺點(diǎn)此類模型明顯的缺點(diǎn)是模擬計(jì)算比較復(fù)雜，且有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)

18、算要花費(fèi)大量的計(jì)算機(jī)時(shí)。但是，隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)和計(jì)算理論的迅速發(fā)展和對過程認(rèn)識的加深，這些問題在逐步得到解決。三維模式模型表達(dá)式建立對氣體流動(dòng)和擴(kuò)散過程進(jìn)行描述，包括如下方程連續(xù)性方程動(dòng)量守恒方程能量方程密度方程(或氣體狀態(tài)方程)湍流流動(dòng)模型初始條件和邊界條件地確定對于三維重氣流動(dòng)和擴(kuò)散過程的控制微分方程組有如下特點(diǎn)：非線性多變量強(qiáng)耦合定解條件復(fù)雜所以不太可能用解析法求解，更實(shí)際的是將微分方程組離散化以后，用數(shù)值迭代法求解三維模式模型解法計(jì)算示例計(jì)算結(jié)果第五類隨機(jī)游走模式模型 長期以來，隨機(jī)游走模型主要應(yīng)用于中性氣體擴(kuò)散特征模擬，隨著計(jì)算能力的提高，隨機(jī)游走模型已大量應(yīng)用于點(diǎn)源擴(kuò)散的數(shù)值模擬，逐

19、漸發(fā)展到了浮力氣體擴(kuò)散，以及重氣擴(kuò)散模擬。隨機(jī)游走模式模型優(yōu)缺點(diǎn)隨機(jī)游走模式在描述痕量物質(zhì)在湍流中的傳輸具有許多優(yōu)點(diǎn)：方程原理相對簡單，易于計(jì)算機(jī)編程的實(shí)現(xiàn)；湍流的統(tǒng)計(jì)特性易于結(jié)合進(jìn)方程中，易于實(shí)現(xiàn)湍流場特征模擬。由于氣象模式提供了粒子隨機(jī)游走所依賴的平均風(fēng)場及湍流特征資料，因此，精確的風(fēng)場資料對于隨機(jī)游走模式的正確模擬是至關(guān)重要的。而由于風(fēng)場精度的限制，通常只能得到一些定性的結(jié)果 而難以得到定量的濃度特征。HLY模型 化工部勞動(dòng)保護(hù)研究所于2019年開發(fā)泄漏源模型、5個(gè)泄漏模式、6個(gè)擴(kuò)散模式和傷害分區(qū)模型,其中擴(kuò)散的模型是在箱模型的基礎(chǔ)上開發(fā) EPA的相關(guān)研究國內(nèi)研究單位中國經(jīng)貿(mào)委安全工程中心（研究院）北京環(huán)科院南京工業(yè)大學(xué)華東理工大學(xué)中國科技大學(xué)大連理工大學(xué)其他氣體擴(kuò)散模型選用考慮因素?cái)U(kuò)散特性的影響因素：密度差異溫度差異源強(qiáng)度與類型大氣流動(dòng)狀況地形建筑物等影響其他特征模型的選用原則根據(jù)：問題特征的描述所有的相關(guān)條件相似準(zhǔn)則相似準(zhǔn)則的推導(dǎo)相似變換法相似定數(shù)法積分類比法相似準(zhǔn)則的物理意義相似準(zhǔn)則的性質(zhì)相似準(zhǔn)則都是無量綱量由微分方程直接導(dǎo)出的相似準(zhǔn)則都具有明確的物理意義相似系統(tǒng)對應(yīng)點(diǎn)