气体扩散浓度计算模型介绍1_精品文档.ppt

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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2006.8.31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n11、SOSOxx,NO,NOXX,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n22、液、液NHNH33,液液ClCl22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n33、爆炸性气体的爆炸性危害、爆炸性气体的爆炸性危害n44、.常见的泄露形式常见的泄露形式:

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间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；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；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。

nBritterBritterandandMcQuaidMcQuaid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QCCmm，CC00分别为气云横截面上的平均浓度、初始浓度，分别为气云横截面上的平均浓度、初始浓度，kgmkgm-3-3；QVVc0c0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，mm33ss-1-1；QVVi0i0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，mm33；Quu为为1010mm高处的风速，高处的风速，mms-1；Qgg00为初始的折算重力项，为初始的折算重力项，gg00g（g（00-aa）/a）/a，00，aa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；Qffcc,ffii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：

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00；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（HH2R）2R）或在某规则区域正态分布；或在某规则区域正态分布；

（2）

（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。

整个过程中不发生任何化学反应等。

箱模型实例（箱模型实例（byVanbyVanUldenUlden，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VanVanUldenUlden（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VV00，初始高度为初始高度为HH00，初始半径为初始半径为RR00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RR增加，同时高度增加，同时高度HH减小。

减小。

箱模型实例（箱模型实例（byVanbyVanUldenUlden，19701970）Qrr，aa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；QKK为常数。

为常数。

n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HH、宽为宽为22LL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VanVanUldenUlden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&Hanna&DrivasDrivas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nManjuManju（19951995）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