[發(fā)明專利]一種模擬重氣在市內(nèi)街道有風(fēng)擴(kuò)散的方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310491053.3
• 申請(qǐng)日: 2013-10-20
• 公開（公告）號(hào): CN103544387A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙東洋;赫飛;崔鐵軍;吳迪;吳作啟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 遼寧工程技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F19/00
• 分類號(hào): G06F19/00;G01N13/00
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及重氣擴(kuò)散模擬，特別是涉及復(fù)雜市內(nèi)街區(qū)內(nèi)有風(fēng)狀態(tài)下的重氣擴(kuò)散研究。

背景技術(shù)

城市的空氣質(zhì)量與人的生活密切相關(guān)，人們的生產(chǎn)和生活過程排放的污染物是造成城市大氣污染的主要因素。特別是在市內(nèi)街道由于運(yùn)輸或輸送等原因造成的泄露，短時(shí)間內(nèi)得不到有效的控制，加之城市墊面干、熱、粗等特征，其復(fù)雜性導(dǎo)致城市的風(fēng)環(huán)境及污染物擴(kuò)散變得非常復(fù)雜。探討復(fù)雜街區(qū)布局在風(fēng)作用下的污染物擴(kuò)散的機(jī)理和規(guī)律，對(duì)改善人們的生活環(huán)境有重要意義。

對(duì)于氣體擴(kuò)散的研究國(guó)內(nèi)已有很多，但是這些研究主要是應(yīng)用擴(kuò)散范圍規(guī)則且連續(xù)的模型進(jìn)行的，無法應(yīng)用到重氣在近地面市內(nèi)街區(qū)這種不規(guī)則非連續(xù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的進(jìn)行擴(kuò)散模擬，并且也少見考慮風(fēng)在街區(qū)內(nèi)流動(dòng)對(duì)重氣擴(kuò)散的影響。

針對(duì)上述問題，考慮將連續(xù)性的擴(kuò)散云，分離成氣團(tuán)。提出了使用細(xì)胞自動(dòng)機(jī)(AC)生成氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)模型。在生成運(yùn)動(dòng)模型的過程中，考慮了氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)的一些特性與粒子運(yùn)動(dòng)特性的相近性，并同時(shí)借鑒了高斯模型的相關(guān)參數(shù)和概念?？紤]風(fēng)的作用，對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)。假設(shè)了模擬街區(qū)，模擬了在穩(wěn)定風(fēng)場(chǎng)條件下氨氣擴(kuò)散過過程；模擬了擴(kuò)散過程中不同時(shí)刻來風(fēng)對(duì)擴(kuò)散分布的影響，其結(jié)果與實(shí)際擴(kuò)散結(jié)果比較相近。

發(fā)明內(nèi)容

利用細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模擬氣團(tuán)的擴(kuò)散，主要的氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力為氣團(tuán)的濃度梯度，即氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)向著濃度梯度減最快的方向運(yùn)動(dòng)。在濃度較高的區(qū)域，濃度梯度對(duì)擴(kuò)散的方向和速度影響很大；當(dāng)濃度下降到一定值后，擴(kuò)散即為自由擴(kuò)散。

對(duì)氣團(tuán)的擴(kuò)散過程中的特征，使用Qi(Vi0，xi，yi)表示，其中Qi表示第i個(gè)氣團(tuán)，Vi0表示第i個(gè)氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度m/s；xi和yi表示相對(duì)于擴(kuò)散中心的氣團(tuán)的位置，單位m。

1?確定影響半徑D

為區(qū)分濃度梯度作用下的擴(kuò)散和自由擴(kuò)散，要首先確定影響半徑D。當(dāng)兩個(gè)氣團(tuán)的距離大于D時(shí)，認(rèn)為氣團(tuán)間相互不作用，即兩個(gè)氣團(tuán)之間顯現(xiàn)自由擴(kuò)散Sf；當(dāng)兩個(gè)氣團(tuán)的距離小于D時(shí)，認(rèn)為氣團(tuán)間存在相互作用，即兩個(gè)氣團(tuán)之間顯現(xiàn)濃度梯度擴(kuò)散Sd；模型如圖18所示公式。

式中Si~j表示兩個(gè)氣團(tuán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

D的確定可以根據(jù)高斯模型，假設(shè)某一濃度下氣體之間不存在相互作用，解算高斯模型中的距離參數(shù)確定，即求解橫風(fēng)向距離y，如圖19所示公式。

2?氣團(tuán)自動(dòng)機(jī)模型

基于自動(dòng)機(jī)的氣團(tuán)擴(kuò)散模型的實(shí)質(zhì)問題是確定每個(gè)氣團(tuán)在其他氣團(tuán)的影響下的運(yùn)動(dòng)方向和速率，如圖20所示公式。

式中：Vi0、xi0、yi0表示第i個(gè)氣團(tuán)的上一個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)，Vi1、xi1、yi1表示這一時(shí)刻的狀態(tài)。

當(dāng)氣團(tuán)處于Sf時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方向和速率基本取決于其上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向和速率，并附加一定的隨機(jī)變化，可以參考高斯模型中側(cè)風(fēng)向擴(kuò)散系數(shù)δy，其表示在無風(fēng)影響下的氣體擴(kuò)散特征，如圖21所示公式。

式中，f(δy)表示氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)速度變化量ΔV是側(cè)風(fēng)向擴(kuò)散系數(shù)δy的函數(shù)，ε表示擴(kuò)散速度的隨機(jī)性，ΔVx和ΔVy分別表示ΔV在x和y方向的分量，單位m/s，Δt表示上一時(shí)刻與本時(shí)刻的時(shí)間差。

當(dāng)氣團(tuán)處于Sd時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方向和速率取決于其上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向和速率，與本時(shí)刻周圍其他氣團(tuán)對(duì)其作用的疊加，如圖22所示公式。

3?氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)速度變化量的改變量的確定

確定在影響半徑D內(nèi)的其他氣團(tuán)對(duì)第i個(gè)氣團(tuán)的影響。主要是判斷ΔV的改變量，即考慮濃度梯度的情況下，ΔV方向的改變和大的改變。由于假設(shè)氣團(tuán)的每個(gè)氣體質(zhì)量相同且內(nèi)部均勻，所以主要考慮其他氣團(tuán)的上一時(shí)刻的速度和第i個(gè)氣團(tuán)與其他在D范圍內(nèi)的氣團(tuán)的距離d。方向的改變通過距離d確定，基于氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)的改變?yōu)闈舛忍荻茸畲蠓较?，d越相互影響越強(qiáng)烈的原則，方向該變量的確定過程如圖1所示。

如圖1所示，在以氣團(tuán)O為中心的半徑為D的范圍內(nèi)，有5個(gè)氣團(tuán)A,B,C,D,O?，F(xiàn)確定O在該時(shí)刻內(nèi)速度的改變方向。根據(jù)d越相互影響越強(qiáng)烈的原則，取A、B、C、D相應(yīng)的d的倒數(shù)，作為衡量作用大的無量綱標(biāo)準(zhǔn)。在A、B、C、D相應(yīng)的d的指向O的延長(zhǎng)線上按比例作A、B、C、D相應(yīng)的d的倒數(shù)，作為方向的矢量SA、SB、SC、SD，并求矢量和F=SA*SB*SC*SD。綜上可得矢量合成后的速度改變量的方向F=S1*S2*…Sn，n為以氣團(tuán)O為中心的半徑為D的范圍內(nèi)的氣團(tuán)的個(gè)數(shù)減1。