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沈艳涛2006.8.31第一部分扩散过程与模型分类介绍相关背景——污染性泄露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–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可能造成的伤害1、SOx,NOX,光气：口腔，呼吸道与肺部病变，皮肤病…2、液NH3,液Cl2等在管道破口喷射引起冻伤及化学毒性与环境危害3、爆炸性气体的爆炸性危害4、…..常见的泄露形式:管道破损后的连续喷射——烟羽常见的泄露源:爆炸形成瞬时泄露——烟团扩散过程研究不同性质气体在不同条件下表现出不同的特征观察者对过程特征的选取重气扩散过程四个阶段★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；★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；★大气湍流扩散阶段(被动扩散)：即大气湍流对云团的扩散起支配作用。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。中性气扩散过程两个阶段★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相互作用；★大气湍流扩散阶段：即大气湍流对云团的扩散起支配作用。过程中变异性问题源与边界的差异性及弱化◘温度差异◘密度差异气体泄漏扩散研究方法试验法风洞实验法模型法试验法试验数据问题特点模型验证特征提取与模化风洞实验比例气体扩散浓度计算模型分类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:–第一类：唯像模型–第二类：箱及相似模型–第三类浅层模式模型–第四类：三维模式模型–第五类随机游走模式模型第一类：唯像模型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。BritterandMcQuaid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，称之为B&M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，以无因次的形式将数据连线并绘制成与数据匹配的曲线或列线图。模型特点与适用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处产生主要影响的基本物理因素。德国的VDI模型也采用了与BM模型类似的处理方法。B&M模型表达式连续，）（＝’.................uVguVxfCC5221c0021c0c0m瞬时，＝’....................uVgVxfCC231i0031i0i0mCm，C0－分别为气云横截面上的平均浓度、初始浓度，kg·m-3；Vc0－为连续烟流释放的初始气云体积流量，m3·s-1；Vi0－为瞬时烟团释放的初始气云体积，m3；u－为10m高处的风速，m·s-1；g0’－为初始的折算重力项，g0’＝g(ρ0-ρa)/ρa，ρ0，ρa分别为初始气云密度和外界空气密度；fc,fi－普遍化无因次函数。第二类：箱及相似模型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0；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。模型常使用的相关假定(1)危险性气体初始泄漏时，其外形呈正圆柱形(H＝2R)或在某规则区域正态分布；(2)初始时刻云团内部的浓度、温度呈均匀分布；(3)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；(4)泄漏气体是理想气体，遵守理想气体状态方程；(5)在水平方向，大气扩散系数呈各向同性；(6)整个扩散过程中风速的大小、方向保持不变；(7)地面对泄漏气体不吸收；(8)整个过程中不发生任何化学反应等。箱模型实例（byVanUlden，1970）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VanUlden（1970年）提出将重气烟团当作一个初始体积为V0，初始高度为H0，初始半径为R0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，主要改进是考虑到云团的重力沉降现象，即在重力作用下，云团下沉，半径R增加，同时高度H减小。箱模型实例（byVanUlden，1970）ρr，ρa－为气云的“参考”密度和空气密度，kg·m-3；K－为常数。21)(rafHgkdtdRU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Jagger在Fryer&Kaiser提出的烟团模型DENZ的基础上，开发了相应的烟流模型CRUNCH，用来模拟稳态连续泄漏。模型假定高为H、宽为2L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。箱模型对重气研究基本假定箱模型：重性气云早期扩展扩散的过程中还考虑到周边空气的卷吸。早期的研究者在VanUlden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，随着更深入的认识，很多研究者，如Hanna&Drivas和Mcquaid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Richardson、纵向湍流速度、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数，从而导致了不同的模式计算结果的差别是很大的。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系，或者运用云团密度与周围空气的密度差来判断。箱模型：重性气向非重气的转折箱模型其他研究情况介绍Manju（1995）在总结以前学者的研究基础上，开发了ⅡTHeavyGasModels模型，可以用于模拟重气瞬时泄漏扩散和连续泄漏扩散。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。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，提出了建议取值，并提出利用云团密度与周围空气密度差小于0.001Kg/m3来判断云团是否过渡为非重气云团。模型验证情况ⅡTHeavyGasModels瞬时泄漏扩散模型对ThorneyIslandTests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验证，ⅡTHeavyGasModels连续泄漏扩散模型对MaplinSandsTests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。验证试验名称项目BurroCoyoteDesertTortoiseGoldfishMaplinSandsThorneyisland(瞬时)Thorneyisland(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/kg10700~173006500~1270010000~3680035000~380001000~66003150~87004800泄放时间/s79～19065～98126～381125～36060～360瞬时460泄放表面水水沙土沙土水沙土沙土表面粗糙度R0.00020.00020.0030.0030.00030.005～0.0180.01大气稳定等级C~EC~DD~EDDD~FE~F扩散最远距离/m140～800300～400803000460～650500～800472试验时间1982年1983年1985年1987年1984年1985年1985年相似模型介绍相似模型主要是针对HEGADAS以及以HEGADAS为基础开发的模型。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，并采取了湍流扩散系数而非空气卷吸速度的方法。壳牌公司HEGADAS模型是HGSYSTEM系统软件包的重要组成部分，HEGADAS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中等或高风下扩散的瞬间版本。DEGADIS模型是在HEGADAS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。相似模型特点与适用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很大的不确定性。已开发的相似模型简介SAFER、TRACE模型（在Kaiser和Walker提出模型的基础上开发的）CONSEQ、PHAST、WHAZAN、SAFETI模型（在Cox和Carpenter提出模型的基础上开发的）DENZ、DRIFT、CIGALE2、SLOPEFMI模型（在Fryer和Kaiser提出模型的基础上开发的）HEGADAS、HEGABOX、HGSYSTEM模型（Colenbrander）ⅡTHEAVYGASMODELS模型（MANJUMOHAN,T.S.PANWAR和M.P.SINGH）CHARM、ELOE模型（Eidsvik）等等第三类浅层模式模型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。浅层模式模型思想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，Wheatley&Webber对卷吸和热量传递的浅层模型进行了推导。Errnak等将浅层模型发展为SLAB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，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常用于非互溶的流体中此类模型有：SHALLOW（Webber等）TWODEE（Hankin和Britter）DISPLAY1,DISPLAY2（würtz等）等等第四类：三维模式模型该模型采用计算流体力学（CFD）方法模拟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，运用数值计算理论和方法，求解Navier－Stokes方程，实现预报真实过程各种场的分布。FEM3介绍比较有代表的是FEM3（3-DFiniteElementModel）模型，该模型在1979年提出，最初是为了模拟LNG的突发性泄放，获得比较好的结果。该模型所用有限元解法是由Galerkin法改进而来，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体状态方程，用K理论（梯度输运理论）来处理湍流问题。已经开发的模型在此基础上一些科研人员已经开发了一些模型，有：SIGMET（英国）、TRANSLOC（Schnatz和Flothmann）、FEM3（Chan等）、ZEPHRY（Hertel和Teuscher）、MARIAH（Taft）、HEAVYGAS（Deaves）、MERCURE（Riou）、ADREA-HF（Bartzis）、MERA