1、气体扩散浓度计算模型介绍气体扩散浓度计算模型介绍华东理工大学华东理工大学沈艳涛沈艳涛2019.8.31第一部分第一部分扩散过程与模型分类介绍扩散过程与模型分类介绍相关背景相关背景污染性泄露污染性泄露n大气污染性泄露的形式：大气污染性泄露的形式：自然方面：火山喷发的有害气体，某些物质自自然方面：火山喷发的有害气体，某些物质自燃或在一定条件下产生的有毒气体，环境微生燃或在一定条件下产生的有毒气体，环境微生物产生的某些气体物产生的某些气体 日常生活方面：生活用煤产生的含氮硫氧气体日常生活方面：生活用煤产生的含氮硫氧气体 石化燃料动力的交通车辆产生的尾气将在一定石化燃料动力的交通车辆产生的尾气将在一定
2、气候下生成光化学雾气候下生成光化学雾 工业用气体的泄漏，特别是化学工业用到的大工业用气体的泄漏，特别是化学工业用到的大量的有毒有害，易燃易爆的气体量的有毒有害，易燃易爆的气体 其他方面产生的一些气体及烟尘其他方面产生的一些气体及烟尘可能造成的伤害可能造成的伤害n1 1、SOSOx x,NO,NOX X,光气：口腔，呼吸道与肺部病光气：口腔，呼吸道与肺部病变，皮肤病变，皮肤病n2 2、液、液NHNH3 3,液液ClCl2 2等在管道破口喷射引起冻伤等在管道破口喷射引起冻伤及化学毒性与环境危害及化学毒性与环境危害n3 3、爆炸性气体的爆炸性危害、爆炸性气体的爆炸性危害n4 4、.常见的泄露形式常见
3、的泄露形式:管道破损后的连续喷射管道破损后的连续喷射烟羽烟羽常见的泄露源常见的泄露源:爆炸形成瞬时泄露爆炸形成瞬时泄露烟团烟团扩散过程研究扩散过程研究n不同性质气体在不同条件下表现出不同不同性质气体在不同条件下表现出不同的特征的特征n观察者对过程特征的选取观察者对过程特征的选取重气扩散过程重气扩散过程 四个阶段四个阶段初始阶段：物质从容器泄漏出，形成气云后在本身的惯性力和外界风速的作用下，上升变形；初始阶段：物质从容器泄漏出，形成气云后在本身的惯性力和外界风速的作用下，上升变形；重力沉降阶段和空气卷吸阶段：当气云初始动量消失后，重力占主导地位。由于云团与周围空气重力沉降阶段和空气卷吸阶段：当气
4、云初始动量消失后，重力占主导地位。由于云团与周围空气间的密度差，导致重气塌陷，沿地表面拓展，引起云团厚度的降低和径向尺寸的增大，而在大气湍间的密度差，导致重气塌陷，沿地表面拓展，引起云团厚度的降低和径向尺寸的增大，而在大气湍流的作用下外界空气进入云团，即空气卷吸，云团被稀释，同时由于初始泄漏云团与周围环境的温流的作用下外界空气进入云团，即空气卷吸，云团被稀释，同时由于初始泄漏云团与周围环境的温度差异而进行热量交换；度差异而进行热量交换；非重气扩散转变：随着云团的稀释冲淡，重气效应逐渐消失，重气扩散转变为非重气扩散；非重气扩散转变：随着云团的稀释冲淡，重气效应逐渐消失，重气扩散转变为非重气扩散；
5、大气湍流扩散阶段大气湍流扩散阶段(被动扩散被动扩散)：即大气湍流对云团的扩散起支配作用。：即大气湍流对云团的扩散起支配作用。轻气扩散过程轻气扩散过程物质从容器泄漏出，形成气云后在本身的惯性力和外界风速的作用下，上升变形。物质从容器泄漏出，形成气云后在本身的惯性力和外界风速的作用下，上升变形。中性气扩散过程中性气扩散过程两个阶段两个阶段初始阶段：物质从容器泄漏出，形成气云后初始阶段：物质从容器泄漏出，形成气云后在本身的惯性力和外界风速的相互作用；在本身的惯性力和外界风速的相互作用；大气湍流扩散阶段：即大气湍流对云团的扩大气湍流扩散阶段：即大气湍流对云团的扩散起支配作用。散起支配作用。过程中变异性
6、问题过程中变异性问题源与边界的差异性及弱化源与边界的差异性及弱化 温度差异温度差异 密度差异密度差异气体泄漏扩散研究方法气体泄漏扩散研究方法n试验法试验法n风洞实验法风洞实验法n模型法模型法试验法试验法试验数据试验数据问题特点问题特点模型模型验证验证特征提取与模化特征提取与模化风洞实验风洞实验比例比例气体扩散浓度计算模型分类气体扩散浓度计算模型分类n重气泄漏扩散的数值模拟方法依据各自的重气泄漏扩散的数值模拟方法依据各自的建模原理以及复杂程度可分为五类建模原理以及复杂程度可分为五类 :第一类：唯像模型第一类：唯像模型第二类：箱及相似模型第二类：箱及相似模型第三类浅层模式模型第三类浅层模式模型第四
7、类：三维模式模型第四类：三维模式模型第五类随机游走模式模型第五类随机游走模式模型第一类：唯像模型第一类：唯像模型n唯像模型是由一系列图表或简单关系式来唯像模型是由一系列图表或简单关系式来描述扩散行为的。描述扩散行为的。nBritter and McQuaidBritter and McQuaid在重气扩散手册中推在重气扩散手册中推荐了一套简单而实用的方程式和列线图，荐了一套简单而实用的方程式和列线图，称之为称之为B&MB&M模型，他们是收集了许多重气扩模型，他们是收集了许多重气扩散的实验室和现场实验的研究结果，以无散的实验室和现场实验的研究结果，以无因次的形式将数据连线并绘制成与数据匹因次的形
8、式将数据连线并绘制成与数据匹配的曲线或列线图。配的曲线或列线图。模型特点与适用模型特点与适用n该模型比较简单，属于经验模型，外该模型比较简单，属于经验模型，外延性较差，可以用于确定工厂警戒线延性较差，可以用于确定工厂警戒线处产生主要影响的基本物理因素。处产生主要影响的基本物理因素。n德国的德国的VDIVDI模型也采用了与模型也采用了与BMBM模型类似模型类似的处理方法。的处理方法。B&M模型表达式模型表达式连续，）（.uVg uVxfCC5221c0021c0c0m瞬时，.uVg VxfCC231i0031i0i0mQ C Cm m，C C0 0分别为气云横截面上的平均浓度、初始浓度，分别为气
9、云横截面上的平均浓度、初始浓度，kgmkgm-3-3；Q V Vc0c0为连续烟流释放的初始气云体积流量，为连续烟流释放的初始气云体积流量，m m3 3ss-1-1；Q V Vi0i0为瞬时烟团释放的初始气云体积，为瞬时烟团释放的初始气云体积，m m3 3；Q u u为为10m10m高处的风速，高处的风速，m ms-1；Q g g0 0为初始的折算重力项，为初始的折算重力项，g g0 0g(g(0 0-a a)/a)/a，0 0，a a分分别为初始气云密度和外界空气密度；别为初始气云密度和外界空气密度；Q f fc c,f,fi i普遍化无因次函数。普遍化无因次函数。第二类：箱及相似模型第二类
10、：箱及相似模型n箱模型和相似模型都是假定浓度、温箱模型和相似模型都是假定浓度、温度等在任何下风向横截面均满足一个度等在任何下风向横截面均满足一个简单分布，箱模型假定浓度、稳定等简单分布，箱模型假定浓度、稳定等在箱内是均匀分布的，其它区域为在箱内是均匀分布的，其它区域为0 0；而相似模型则假定模型内符合相似分而相似模型则假定模型内符合相似分布（如高斯分布）等简单形状。布（如高斯分布）等简单形状。模型常使用的相关假定模型常使用的相关假定(1)(1)危险性气体初始泄漏时，其外形呈正圆柱形危险性气体初始泄漏时，其外形呈正圆柱形(H(H2R)2R)或在某规则区域正态分布；或在某规则区域正态分布；(2)(
11、2)初始时刻云团内部的浓度、温度呈均匀分布；初始时刻云团内部的浓度、温度呈均匀分布；(3)(3)扩散过程中不考虑云团内部温度的变化，忽略热扩散过程中不考虑云团内部温度的变化，忽略热传递、热对流及热辐射；传递、热对流及热辐射；(4)(4)泄漏气体是理想气体，遵守理想气体状态方程；泄漏气体是理想气体，遵守理想气体状态方程；(5)(5)在水平方向，大气扩散系数呈各向同性；在水平方向，大气扩散系数呈各向同性；(6)(6)整个扩散过程中风速的大小、方向保持不变；整个扩散过程中风速的大小、方向保持不变；(7)(7)地面对泄漏气体不吸收；地面对泄漏气体不吸收；(8)(8)整个过程中不发生任何化学反应等。整个
12、过程中不发生任何化学反应等。箱模型实例（箱模型实例（by Van Uldenby Van Ulden，19701970）n 对于重气瞬时泄漏形成的云团，一般把箱模型看对于重气瞬时泄漏形成的云团，一般把箱模型看作为一个圆柱形，如作为一个圆柱形，如Van UldenVan Ulden（19701970年）提出将年）提出将重气烟团当作一个初始体积为重气烟团当作一个初始体积为V V0 0，初始高度为，初始高度为H H0 0，初始半径为初始半径为R R0 0的圆柱形，高度和半径随时间变化，的圆柱形，高度和半径随时间变化，与被动扩散的高斯模型相比，主要改进是考虑到与被动扩散的高斯模型相比，主要改进是考虑到
13、云团的重力沉降现象，即在重力作用下，云团下云团的重力沉降现象，即在重力作用下，云团下沉，半径沉，半径R R增加，同时高度增加，同时高度H H减小。减小。箱模型实例（箱模型实例（by Van Uldenby Van Ulden，19701970）Q r r，a a为气云的为气云的“参考参考”密度和空气密度，密度和空气密度，kgmkgm-3-3；Q K K为常数。为常数。21)(rafHgkdtdRUn 对于重气连续泄漏形成的烟羽，一般把箱模型看对于重气连续泄漏形成的烟羽，一般把箱模型看作一个矩形，如作一个矩形，如JaggerJagger在在Fryer&KaiserFryer&Kaiser提出的提
14、出的烟团模型烟团模型DENZDENZ的基础上，开发了相应的烟流模型的基础上，开发了相应的烟流模型CRUNCHCRUNCH，用来模拟稳态连续泄漏。，用来模拟稳态连续泄漏。n 模型假定高为模型假定高为H H、宽为、宽为2L2L的矩形截面，原先半径和的矩形截面，原先半径和高度随时间变化的微分方程变成半宽和高度随下高度随时间变化的微分方程变成半宽和高度随下风距离变化的方程，原先径向重力扩散速度变成风距离变化的方程，原先径向重力扩散速度变成了侧向重力扩散速度。了侧向重力扩散速度。箱模型对重气研究基本假定箱模型对重气研究基本假定箱模型：重性气云早期扩展箱模型：重性气云早期扩展n 扩散的过程中还考虑到周边空
15、气的卷吸。早期的扩散的过程中还考虑到周边空气的卷吸。早期的研究者在研究者在Van UldenVan Ulden的重气云实验基础上，提出空的重气云实验基础上，提出空气由模型的顶部卷吸进来是占主导作用的，随着气由模型的顶部卷吸进来是占主导作用的，随着更深入的认识，很多研究者，如更深入的认识，很多研究者，如Hanna&DrivasHanna&Drivas和和McquaidMcquaid都一致认为空气是从模型的顶部和侧面都一致认为空气是从模型的顶部和侧面同时卷吸进来的，卷吸的速度受同时卷吸进来的，卷吸的速度受RichardsonRichardson、纵、纵向湍流速度、大气稳定度、风速、摩擦风速等影向湍
16、流速度、大气稳定度、风速、摩擦风速等影响。由于不同的箱模型采用了不同的空气卷吸参响。由于不同的箱模型采用了不同的空气卷吸参数，从而导致了不同的模式计算结果的差别是很数，从而导致了不同的模式计算结果的差别是很大的。大的。n 随着云团的稀释冲淡过程，重气效应逐步地消失，随着云团的稀释冲淡过程，重气效应逐步地消失，当重气扩散转变为非重气扩散时，大气湍流对云当重气扩散转变为非重气扩散时，大气湍流对云团的扩散起支配作用，云团的高度、半径及运行团的扩散起支配作用，云团的高度、半径及运行状态完全取决于大气湍流特性，实际上气体的浓状态完全取决于大气湍流特性，实际上气体的浓度分布开始接近为高斯形状，仍然假定为均
17、匀就度分布开始接近为高斯形状，仍然假定为均匀就不再合理。因此箱模型通常都有从均匀气云向高不再合理。因此箱模型通常都有从均匀气云向高斯分布的转折点，即重气扩散向非重气扩散的转斯分布的转折点，即重气扩散向非重气扩散的转折点，采用理查逊数、沉降速度和速度尺度的关折点，采用理查逊数、沉降速度和速度尺度的关系，或者运用云团密度与周围空气的密度差来判系，或者运用云团密度与周围空气的密度差来判断。断。箱模型：重性气向非重气的转折箱模型：重性气向非重气的转折箱模型其他研究情况介绍箱模型其他研究情况介绍n ManjuManju（20192019）在总结以前学者的研究基础上，开）在总结以前学者的研究基础上，开发了
18、发了T Heavy Gas ModelsT Heavy Gas Models模型，可以用于模拟模型，可以用于模拟重气瞬时泄漏扩散和连续泄漏扩散。重气瞬时泄漏扩散和连续泄漏扩散。n 扩散模型包括了重力沉降、空气卷吸、云团受热扩散模型包括了重力沉降、空气卷吸、云团受热和向非重气云团过渡。和向非重气云团过渡。n 对扩散过程中的重力沉降系数、顶部卷吸系数和对扩散过程中的重力沉降系数、顶部卷吸系数和侧面卷吸系数的取值进行了分析比较，提出了建侧面卷吸系数的取值进行了分析比较，提出了建议取值，并提出利用云团密度与周围空气密度差议取值，并提出利用云团密度与周围空气密度差小于小于0.001Kg/m30.001K
19、g/m3来判断云团是否过渡为非重气云来判断云团是否过渡为非重气云团。团。模型验证情况模型验证情况nT Heavy Gas ModelsT Heavy Gas Models瞬时泄漏扩散模型瞬时泄漏扩散模型对对Thorney Island TestsThorney Island Tests系列试验下风向系列试验下风向不同距离的泄漏物质最大浓度进行了模拟不同距离的泄漏物质最大浓度进行了模拟验证，验证，T Heavy Gas ModelsT Heavy Gas Models连续泄漏扩连续泄漏扩散模型对散模型对Maplin Sands TestsMaplin Sands Tests系列试验下系列试验下风
20、向不同距离的泄漏物质最大浓度进行了风向不同距离的泄漏物质最大浓度进行了模拟验证，两个试验的模拟结果都是较好模拟验证，两个试验的模拟结果都是较好的，基本上反映了重气的扩散情形。的，基本上反映了重气的扩散情形。验证试验验证试验名 称项目BurroCoyoteDesert TortoiseGoldfishMaplin SandsThorney island(瞬时)Thorney island(连续)试验次数83431292试验介质LNGLNGNH3HFLNG氟里昂氮气氟里昂氮气泄放形态沸点重气沸点重气二相重气二相重气沸点重气气体重气气体重气泄放总量/kg10700173006500127001000
21、036800350003800010006600315087004800泄放时间/s79190659812638112536060360瞬时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大气稳定等级CECDDEDDDFEF扩散最远距离/m140800300400803000460650500800472试验时间1982年1983年1985年1987年1984年1985年1985年相似模型介绍相似模型介绍n 相似模型主要是针对相似模型主要是针对HEGADASHEGADAS以及以以及以HEGADASHEGADAS
22、为基为基础开发的模型。相似模型是对箱模型概念的扩展，础开发的模型。相似模型是对箱模型概念的扩展，考虑了气云内部浓度和速度的分布，并采取了湍考虑了气云内部浓度和速度的分布，并采取了湍流扩散系数而非空气卷吸速度的方法。流扩散系数而非空气卷吸速度的方法。n 壳牌公司壳牌公司HEGADASHEGADAS模型是模型是HGSYSTEMHGSYSTEM系统软件包的重系统软件包的重要组成部分，要组成部分，HEGADASHEGADAS模型即有处理稳定连续释放模型即有处理稳定连续释放的定常态版本，也有预报来自液化气液池蒸发在的定常态版本，也有预报来自液化气液池蒸发在中等或高风下扩散的瞬间版本。中等或高风下扩散的瞬
23、间版本。n DEGADISDEGADIS模型是在模型是在HEGADASHEGADAS模型基础上作的改进，模型基础上作的改进，是美国海岸警卫队和气体研究院开发的。是美国海岸警卫队和气体研究院开发的。相似模型特点与适用相似模型特点与适用n箱及相似模型具有概念清晰、计算量箱及相似模型具有概念清晰、计算量较小等优点，可为危险评价、应急救较小等优点，可为危险评价、应急救援、制定控制措施等提供指导。但其援、制定控制措施等提供指导。但其自身也存在着局限性，如假定速度和自身也存在着局限性，如假定速度和浓度的相似分布，模拟的精度较差，浓度的相似分布，模拟的精度较差，重气云团向非重气云团过渡也存在着重气云团向非重
24、气云团过渡也存在着很大的不确定性。很大的不确定性。已开发的相似模型简介已开发的相似模型简介nSAFERSAFER、TRACETRACE模型模型（在（在KaiserKaiser和和WalkerWalker提出模型的基础上开发的）提出模型的基础上开发的）nCONSEQCONSEQ、PHASTPHAST、WHAZANWHAZAN、SAFETISAFETI模型模型（在（在CoxCox和和CarpenterCarpenter提出模型的基础上开发的）提出模型的基础上开发的）nDENZDENZ、DRIFTDRIFT、CIGALE 2CIGALE 2、SLOPEFMISLOPEFMI模型模型（在（在Fryer
25、Fryer和和KaiserKaiser提出模型的基础上开发的）提出模型的基础上开发的）nHEGADASHEGADAS、HEGABOXHEGABOX、HGSYSTEMHGSYSTEM模型（模型（ColenbranderColenbrander）T HEAVY GAS MODELST HEAVY GAS MODELS模型（模型（MANJU MOHAN,T.S.PANWAR MANJU MOHAN,T.S.PANWAR 和和M.M.P.SINGHP.SINGH）CHARMCHARM、ELOEELOE模型（模型（EidsvikEidsvik）n等等等等第三类浅层模式模型第三类浅层模式模型n浅层模式模型
26、，是对重气扩散的控制方程浅层模式模型，是对重气扩散的控制方程加以简化来描述其物理过程，是对于三维加以简化来描述其物理过程，是对于三维模式模型和简单箱模型的折衷。它是基于模式模型和简单箱模型的折衷。它是基于浅层理论（浅水近似）推广得到的，模型浅层理论（浅水近似）推广得到的，模型采用了厚度平均变量来描述流场特征，有采用了厚度平均变量来描述流场特征，有利于考虑复杂地形的重气扩散情况。利于考虑复杂地形的重气扩散情况。浅层模式模型思想浅层模式模型思想n该模型需要计算气云的宽度和高度，是拟三维的。该模型需要计算气云的宽度和高度，是拟三维的。侧风浓度分布应用相似分布确定，气云与环境大侧风浓度分布应用相似分布
27、确定，气云与环境大气的混合运用卷吸概念处理。不少专家对浅层模气的混合运用卷吸概念处理。不少专家对浅层模型进行了进一步开发，型进行了进一步开发，Wheatley&WebberWheatley&Webber对卷吸对卷吸和热量传递的浅层模型进行了推导。和热量传递的浅层模型进行了推导。ErrnakErrnak等将等将浅层模型发展为浅层模型发展为SLABSLAB模型，包括求解质量、组分、模型，包括求解质量、组分、下风动量、侧风动量和能量的侧风平均守恒方程，下风动量、侧风动量和能量的侧风平均守恒方程，以及气云宽度方程和理想气体状况方程。以及气云宽度方程和理想气体状况方程。浅层模式模型适用性浅层模式模型适用
28、性n常用于非互溶的流体中常用于非互溶的流体中 此类模型有：此类模型有：nSHALLOWSHALLOW（WebberWebber等）等）nTWODEETWODEE（HankinHankin和和BritterBritter）nDISPLAY1,DISPLAY2DISPLAY1,DISPLAY2（wrtzwrtz等）等）n等等等等第四类：三维模式模型第四类：三维模式模型n该模型采用计算流体力学（该模型采用计算流体力学（CFDCFD）方法模拟）方法模拟重气得到三维非定常态湍流流动过程。这重气得到三维非定常态湍流流动过程。这种数值方法是通过建立各种条件下的基本种数值方法是通过建立各种条件下的基本守恒方程
29、（包括质量、动量、能量及组分守恒方程（包括质量、动量、能量及组分等），结合一些初始条件和边界条件，运等），结合一些初始条件和边界条件，运用数值计算理论和方法，求解用数值计算理论和方法，求解NavierNavierStokesStokes方程，实现预报真实过程各种场的方程，实现预报真实过程各种场的分布。分布。FEM3介绍介绍n比较有代表的是比较有代表的是FEM3FEM3（3-D Finite Element 3-D Finite Element ModelModel）模型，该模型在）模型，该模型在19791979年提出，最初是年提出，最初是为了模拟为了模拟LNGLNG的突发性泄放，获得比较好的结
30、的突发性泄放，获得比较好的结果。果。n该模型所用有限元解法是由该模型所用有限元解法是由GalerkinGalerkin法改进法改进而来，主要可解不定常的连续性方程、动量而来，主要可解不定常的连续性方程、动量方程、热量方程、扩散方程以及理想方程气方程、热量方程、扩散方程以及理想方程气体状态方程，用体状态方程，用K K理论（梯度输运理论）来处理论（梯度输运理论）来处理湍流问题。理湍流问题。已经开发的模型已经开发的模型n在此基础上一些科研人员已经开发了一些在此基础上一些科研人员已经开发了一些模型，有：模型，有：SIGMETSIGMET（英国）、（英国）、TRANSLOCTRANSLOC（Schnat
31、zSchnatz和和FlothmannFlothmann）、）、FEM3FEM3（ChanChan等）、等）、ZEPHRYZEPHRY（HertelHertel和和TeuscherTeuscher）、）、MARIAHMARIAH（TaftTaft）、）、HEAVYGASHEAVYGAS（DeavesDeaves）、）、MERCUREMERCURE（RiouRiou）、）、ADREA-HFADREA-HF（BartzisBartzis）、）、MERADISMERADIS（VergisonVergison等）等等等）等等2626。三维模式模型优点三维模式模型优点n 三维模式模型克服了箱及相似模型中
32、辨别和模拟三维模式模型克服了箱及相似模型中辨别和模拟重力下沉、空气卷吸、气云受热等物理效应时所重力下沉、空气卷吸、气云受热等物理效应时所遇到的许多问题，能更好地描述重气在大气湍流遇到的许多问题，能更好地描述重气在大气湍流运动中的物理现象，具有广泛的通用性，并且能运动中的物理现象，具有广泛的通用性，并且能够描述障碍物或明显的地形变化的复杂扩散过程。够描述障碍物或明显的地形变化的复杂扩散过程。n 该方法成本低廉，物理场景数学模型搭建灵活性该方法成本低廉，物理场景数学模型搭建灵活性强，因而日益受到研究者的重视。当前的研究不强，因而日益受到研究者的重视。当前的研究不仅在于建立深入刻画过程的数学模型如仅
33、在于建立深入刻画过程的数学模型如N-SN-S方程组方程组及其封闭性边界构成的模型（如及其封闭性边界构成的模型（如k-k-模式），计模式），计算过程如网格划分，收敛性讨论等也得到了深入算过程如网格划分，收敛性讨论等也得到了深入的研究。与此同时，适用于工程目的的专业软件的研究。与此同时，适用于工程目的的专业软件如如fluentfluent等已经受到了业界的认可和推崇。等已经受到了业界的认可和推崇。三维模式模型缺点三维模式模型缺点n 此类模型明显的缺点是模拟计算比较复杂，且此类模型明显的缺点是模拟计算比较复杂，且有关数据计算要花费大量的计算机时。但是，有关数据计算要花费大量的计算机时。但是，随着计算
34、机工业和计算理论的迅速发展和对过随着计算机工业和计算理论的迅速发展和对过程认识的加深，这些问题在逐步得到解决。程认识的加深，这些问题在逐步得到解决。三维模式模型表达式三维模式模型表达式q 建立对气体流动和扩散过程进建立对气体流动和扩散过程进行描述，包括如下方程行描述，包括如下方程q 连续性方程连续性方程q 动量守恒方程动量守恒方程q 能量方程能量方程q 密度方程密度方程(或气体状态方程或气体状态方程)q 湍流流动模型湍流流动模型q 初始条件和边界条件地确定初始条件和边界条件地确定q对于三维重气流动和扩散过程的控制微对于三维重气流动和扩散过程的控制微分方程组有如下特点：分方程组有如下特点：q 非
35、线性非线性q 多变量多变量q 强耦合强耦合q 定解条件复杂定解条件复杂所以不太可能用解析法求解，更实际的是将所以不太可能用解析法求解，更实际的是将微分方程组离散化以后，用数值迭代法微分方程组离散化以后，用数值迭代法求解求解()SjjjjuStxxx 微分方程组的通用形式（）表示控制变量，表示该变量的扩散系数，为其相应的源项。三维模式模型解法三维模式模型解法计算示例计算示例计算结果计算结果第五类随机游走模式模型第五类随机游走模式模型 n长期以来，随机游走模型主要应用于中性气长期以来，随机游走模型主要应用于中性气体扩散特征模拟，随着计算能力的提高，随体扩散特征模拟，随着计算能力的提高，随机游走模型
36、已大量应用于点源扩散的数值模机游走模型已大量应用于点源扩散的数值模拟，逐渐发展到了浮力气体扩散，以及重气拟，逐渐发展到了浮力气体扩散，以及重气扩散模拟。扩散模拟。随机游走模式模型优缺点随机游走模式模型优缺点n随机游走模式在描述痕量物质在湍流中的传输具随机游走模式在描述痕量物质在湍流中的传输具有许多优点：方程原理相对简单，易于计算机编有许多优点：方程原理相对简单，易于计算机编程的实现；湍流的统计特性易于结合进方程中，程的实现；湍流的统计特性易于结合进方程中，易于实现湍流场特征模拟。易于实现湍流场特征模拟。n由于气象模式提供了粒子随机游走所依赖的平均由于气象模式提供了粒子随机游走所依赖的平均风场及
37、湍流特征资料，因此，精确的风场资料对风场及湍流特征资料，因此，精确的风场资料对于随机游走模式的正确模拟是至关重要的。而由于随机游走模式的正确模拟是至关重要的。而由于风场精度的限制，通常只能得到一些定性的结于风场精度的限制，通常只能得到一些定性的结果果 而难以得到定量的浓度特征。而难以得到定量的浓度特征。HLY模型模型 n化工部劳动保护研究所于化工部劳动保护研究所于20192019年开发年开发n泄漏源模型、泄漏源模型、5 5个泄漏模式、个泄漏模式、6 6个扩散模式和伤害个扩散模式和伤害分区模型分区模型,其中扩散的模型是在箱模型的基础上其中扩散的模型是在箱模型的基础上开发开发 EPA的相关研究的相
38、关研究国内研究单位国内研究单位n中国经贸委安全工程中心（研究院）中国经贸委安全工程中心（研究院）n北京环科院北京环科院n南京工业大学南京工业大学n华东理工大学华东理工大学n中国科技大学中国科技大学n大连理工大学大连理工大学n其他其他气体扩散模型选用考虑因素气体扩散模型选用考虑因素n扩散特性的影响因素：扩散特性的影响因素：n密度差异密度差异n温度差异温度差异n源强度与类型源强度与类型n大气流动状况大气流动状况n地形建筑物等影响地形建筑物等影响n其他特征其他特征模型的选用原则模型的选用原则n根据：根据：n问题特征的描述问题特征的描述n所有的相关条件所有的相关条件相似准则相似准则n相似准则的推导相似
39、准则的推导n相似变换法相似变换法n相似定数法相似定数法n积分类比法积分类比法n相似准则的物理意义相似准则的物理意义n相似准则的性质相似准则的性质n相似准则都是无量纲量相似准则都是无量纲量n由微分方程直接导出的相似由微分方程直接导出的相似准则都具有明确的物理意义准则都具有明确的物理意义n相似系统对应点（稳态）和相似系统对应点（稳态）和现象转换点（转换瞬间，非现象转换点（转换瞬间，非稳态）相似准则相等稳态）相似准则相等n任何两个相似准则相乘或相任何两个相似准则相乘或相除还是相似准则。除还是相似准则。n相似准则数值的大小反映了相似准则数值的大小反映了过程中质的变化。过程中质的变化。222222Ref
40、lNemUfmgflmglglNeFrmUmUUfUFlfllNemUFl UlU以动力相似为例：牛顿准则：当 代表重力时,演变为弗劳德准则：其物理意义为重力与惯性力之比；当 表示摩擦力（粘性力）时，演变为雷诺准则：其物理意义是粘性力与惯性力之比。模型的精度估计模型的精度估计n 解决问题的全面性解决问题的全面性n 计算方法计算方法第二部分第二部分常见实用泄漏扩散模型介绍常见实用泄漏扩散模型介绍几种典型源强估算Q 估算参数估算参数Q 1、泄漏速度、泄漏速度Q 2、泄漏量、泄漏量Q 3、泄漏持续时间、泄漏持续时间Q 4、泄漏物质的形态、泄漏物质的形态常见的泄漏源：常见的泄漏源：工艺单元中液体经小孔
41、泄漏工艺单元中液体经小孔泄漏储罐中液体经小孔泄漏储罐中液体经小孔泄漏液体经管道泄漏液体经管道泄漏气体或蒸气经小孔泄漏气体或蒸气经小孔泄漏闪蒸液体的泄漏闪蒸液体的泄漏易挥发液体蒸发易挥发液体蒸发其他其他液体经小孔泄漏的源模式机械能守恒方程：机械能守恒方程：mWFgzaUdps22压力能压力能动动 能能重力势能重力势能阻力损失阻力损失轴功轴功小孔泄漏小孔泄漏022FgzUp不可压不可压a1无机无机械功械功022Up小孔泄漏小孔泄漏薄壁，薄壁，z0阻力折算成系数阻力折算成系数暂不考虑暂不考虑inoutoutinoutoutinininoutUUAAUAUAUUU222022FgzUppinpoutd
42、DinpU2inoutinoutinppppppp022UpinoutoutinoutoutinininoutUUAAUAUAUUU222pinpoutdDinpAUAQ2inpACQ20一般孔流系数一般孔流系数C C0 011；;安全起见安全起见C C0 01.01.0储罐中液体经小孔泄漏)(0gzpCFgzpUAQgzpCUg220;0,;,02max000zttzztgzAACdtdzz0AtAAgCgzpACQg02200022物质守恒方程物质守恒方程A0液体经管道泄漏22UdlFmWFgzaUdps22查手册选取阻力系数，计算一般要试算查手册选取阻力系数，计算一般要试算气体或蒸气经小
43、孔泄漏理想气体状态方程绝热方程机械能守恒方程孔流系数定义TMRpp0T0dVpCCconstp/dpCFdpFaUdp20202)(112/)1(000ppMRTCU)()(12/)1(0/20000ppppMRTACUAQ高压气体或蒸气经小孔泄漏时)(1 12/)1(000ppMRTCU)()(12/)1(0/20000ppppMRTACUAQ)1/()1(00000)1/()12(12,)12(RTMApCQMRTCUppc对应最大速度与流量：当临界压力点：流速音速临界压力点：流速音速实际流实际流速与压速与压力关系力关系点源点源Q烟流模式烟流模式Q烟团模式烟团模式Q特殊气象条件下的扩散模式
44、特殊气象条件下的扩散模式 面源面源Q等效点源等效点源Q箱模式箱模式Q手算模式手算模式 线源线源 短期平均浓度的计算短期平均浓度的计算 长期平均浓度的计算长期平均浓度的计算 颗粒物扩散计算颗粒物扩散计算 复杂下垫面地区的扩散计算复杂下垫面地区的扩散计算常见的扩散计算类型烟流模式Q 有风（风速大于有风（风速大于1m/s），风向稳定，连续点源），风向稳定，连续点源Q 地面浓度（地面浓度（z0），公式为下式），公式为下式)(2),(2222)(21)(212zzyHeZHeZyzyeeeuQHezyxC22)(2121),0,(zyHeyzyeuQHeyxCF 公式中的各参数可以参考相关文献。比如公式
45、中的各参数可以参考相关文献。比如大气环境影响评价实用技术大气环境影响评价实用技术地面轴线最大浓度求法ym2max22，进而求算反算扩散参数式中的由，当zyzeezeuHQCH烟团模式Q风速在静风时（风速小于风速在静风时（风速小于1m/s）222222222)(2)(222/32),(zzyxHezHezyutxzyxeeeQHzyxC特殊气象条件下的扩散模式漫烟型扩散漫烟型扩散221exp2yfyffyuHQC面源等效点源法等效点源法)(2100202202zyyyHyzzyyeuQCpyyoax/10qzozobx/1等效点源坐标：等效点源坐标：箱模式)()(CCtzxCCuzxQtCxzaibiai线源 平行风模式2221212cos2zyZYZYLpeuQWQC谢谢大家！谢谢大家！
