[發(fā)明專利]一種模擬重氣在市內(nèi)街道擴散的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310491054.8
• 申請日: 2013-10-20
• 公開（公告）號: CN103499518A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙東洋;赫飛;崔鐵軍;吳迪
• 申請（專利權(quán)）人: 遼寧工程技術(shù)大學
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及重氣擴散模擬，特別是涉及復雜市內(nèi)街區(qū)內(nèi)無風狀態(tài)下的重氣擴散研究。

背景技術(shù)

眾所周知，氣體泄露的風險狀況的考慮有幾方面：氣體的密度、泄露的地點、該地點周圍環(huán)境和大氣條件等。對于氣體的密度，如果小于空氣，那么泄漏后大部分氣體將升入高空，進而減少對地面影響；如果大于空氣，那么重氣將排開空氣，被排開的空氣局部被壓縮，導致重氣擴散更加緩慢，給地面影響較大。對于泄露的地點的考慮，顯然是人口密集的市區(qū)更加危險。泄露點周圍環(huán)境如果相對密閉，則不利于重氣擴散。若果比較空曠，則有利于擴散。這樣考慮市內(nèi)建筑物之間的街區(qū)更為危險。對于大氣條件，風力、溫度和濕度等都會影響氣體的擴散。如果周圍大氣條件比較穩(wěn)定，那么重氣就不易擴散。綜上所述，可以看出，在市內(nèi)街區(qū)泄露重氣且大氣環(huán)境穩(wěn)定的條件下，對近地面危害最大。

筆者也長期對多儲罐泄露擴散及連鎖條件下爆炸進行研究。但是這些研究主要是應(yīng)用擴散范圍規(guī)則且連續(xù)的模型進行的，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)的拓撲結(jié)構(gòu)中的進行擴散模擬。

針對上述問題，考慮將連續(xù)性的擴散云，分離成氣團，氣團通過重疊或融合表示擴散云。提出了使用細胞自動機(Cellular?automata，AC)生成氣團的運動模型。在生成運動模型的過程中，考慮了氣團運動的一些特性與粒子運動特性的相近性，并同時借鑒了高斯模型的相關(guān)參數(shù)和概念。假設(shè)了模擬街區(qū)，在大氣穩(wěn)定的條件下進行氨氣近地擴散模擬，其結(jié)果與實際擴散結(jié)果比較相近，但是該模型也存在著只能模擬近地氨氣擴散的缺點。

發(fā)明內(nèi)容

利用細胞自動機模擬氣團的擴散，主要的氣團運動驅(qū)動力為氣團的濃度梯度，即氣團的運動向著濃度梯度減最快的方向運動。在濃度較高的區(qū)域，濃度梯度對擴散的方向和速度影響很大；當濃度下降到一定值后，擴散即為自由擴散。該模型只考慮使用CA氣團代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氣體擴散模擬方法，對于氣體的長期擴散特征和可能在環(huán)境中發(fā)生的反應(yīng)情況沒有考慮。

對氣團的擴散過程中的特征，使用Qi(Vi0,xi,yi)表示，其中Qi表示第i個氣團，Vi0表示第i個氣團的運動速度，單位m/s；xi,yi表示相對于擴散中心的氣團的位置，單位m。

1?確定影響半徑D

為區(qū)分濃度梯度作用下的擴散和自由擴散，要首先確定影響半徑D。當兩個氣團的距離大于D時，認為氣團間相互不作用，即兩個氣團之間顯現(xiàn)自由擴散Sf；當兩個氣團的距離小于D時，認為氣團間存在相互作用，即兩個氣團之間顯現(xiàn)濃度梯度擴散Sd；模型如圖14中公式所示。

式中Si~j表示兩個氣團的相對運動狀態(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，即求解橫風向距離y，如圖15中公式所示。

2?氣團自動機模型

基于自動機的氣團擴散模型的實質(zhì)問題是確定每個氣團在其他氣團的影響下的運動方向和速率，如圖16中公式所示。

式中：Vi0、xi0、yi0表示第i個氣團的上一個時刻的狀態(tài)，Vi1、xi1、yi1表示這一時刻的狀態(tài)。

當氣團處于Sf時，其運動方向和速率基本取決于其上一時刻的運動方向和速率，并附加一定的隨機變化，可以參考高斯模型中側(cè)風向擴散系數(shù)δy，其表示在無風影響下的氣體擴散特征，如圖17中公式所示。

式中，?f(δy)表示氣團運動速度的變化量是側(cè)風向擴散系數(shù)δy的函數(shù)，ε表示擴散速度的隨機性，x,y是兩個相互垂直的方向。

當氣團處于Sd時，其運動方向和速率取決于其上一時刻的運動方向和速率，與本時刻周圍其他氣團對其作用的疊加，如圖18中公式所示。

3氣團運動速度變量的改變量的確定

確定在影響半徑D內(nèi)的其他氣團對第i個氣團的影響。考慮濃度梯度的情況下，氣團運動速度變量方向的改變和大小的改變。由于假設(shè)氣團的每個氣體質(zhì)量相同且內(nèi)部均勻，所以主要考慮其他氣團的上一時刻的速度和第i個氣團與其他在D范圍內(nèi)的氣團的距離。方向的改變通過距離確定，基于氣團的運動的改變?yōu)闈舛忍荻茸畲蠓较颍琩越近相互影響越強烈的原則，方向該變量的確定過程如圖1所示。