气体扩散浓度计算模型介绍(1)
爆炸评价模型及伤害半径计算讲解
0.15 玻璃破碎 被碎玻璃击伤
0.4 10%玻璃破碎
5.6-3 天然气蒸气云爆炸冲击波损害范围表
Cs NE （NE）1/3 损害半径R 设备损坏 人员伤害
m?J-
1/3） J J1/3 m
0.03
1
199.77 5.99 重创建筑物和 加工设备 1%死亡人员肺部伤害 >50%耳膜破裂 >50%被碎片击伤
2VR
.0103.26
278568.1
621
1000kg液氨气化成蒸气时可能发生中毒浓度的区
621m，即0.621公里，因此，其扩散时的可能发生中毒浓度的区域面
π×R2=3.14×0.6212=1.21（平方公里）
、水煤气泄漏事故的模拟计算
《工作场所有害因素职业接触限值》（GBZ2-2002）查得：水煤气（即
－可燃气体的燃烧热值；天然气高热值：39.86MJ／N m3；
－效率因子，一般取10％；
－经验常数，取决于损害等级。其具体取值情况见下表：
5.6-2 损害等级表
Cs/m?J-
1/3） 设备损害 人员伤害
0.03 重创建筑物的加工设备 1％死亡于肺部伤害；>50％耳
>50％被碎片击伤
0.06 损害建筑物外表可修复性
(5)
Es——水蒸气的爆破能量，kJ；
V——水蒸气的体积，m3；
Cs——干饱和水蒸气爆破能量系数，kJ／m3。
各种常用压力下的干饱和水蒸气容器爆破能量系数如表3所示。
3 常用压力下干饱和水蒸气容器爆破能量系数
1．2 介质全部为液体时的爆破能量
r——目标到火球中心的水平距离，m；
第04章大气污染扩散模型环境保护概论ppt课件
第六节 区域大气环境质量模型
多源大气环境质量模型 区域内大气中某一点的污染物浓度等于背景浓度和各
污染源对该点浓度的贡献值之和：
《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》中排放总量 限值的计算方法
第七节 厂址的选择和烟囱的设计
如果用y0表示烟流半宽度，z0表 示烟流半高度，则有：
封闭型扩散模式
计算简化：
熏烟型扩散模式
假设： D 换成hf（垂向均匀分布）；q只包括进入混合层部分，
则仍可用上面公式
熏烟型扩散模式
第五节 城市及山区扩散模式
城市大气扩散模式
1.线源扩散模式
风向与线源垂直时
边缘效应
城市大气扩散模式
2.面源扩散模式
城市大气扩散模式
2. 面源扩散模式（续）
简化为点源的面源扩散模式（续） 形心上风向距x0处有一虚拟点源，其烟流在形心处宽度正好
与正方形宽度相等
烟流宽度：中心线到浓度为中心处距离的两倍
（正态分布：
）
确定 、 之后即可按点源计算面源浓度
城市大气扩散模式
2. 面源扩散模式（续）
窄烟流模式
某点的污染物浓度主要取决于上风向面单元的源强，上风向 两侧单元对其影响很小
定状态，σ较大，即σ与稳定度密切相关。
扩散参数的确定
P－G曲线法
P－G曲线:Pasquill常规气象资料估算；Gifford制成图表
方法要点
将大气稳定度分为6个等级： A — 极不稳定，B —不稳定，C — 弱不稳定， D — 中性，E — 弱稳定，F —稳定。
太阳辐射
稳定级别 下风距离
P-G曲线图 P-G 表
Eutrophication)
Acid Rain
扩散系数计算
它表达某个组分在介质中扩 0.0101T 1.75(7—19)722扩散系数费克定律中的扩散系数D 代表单位浓度梯度下的扩散通量， 散的快慢，是物质的一种传递性质。
一、气体中的扩散系数气体中的扩散系数与系统、温度和压力有关，其量级为10 m 2/s 。
通常对于二元气体A 、B 的相互扩散，A 在 B 中的扩散系数和 B 在A 中的扩散系数相等，因此可略去下标而用同一符号D 表示，即 D AB = D BA =D。
表7 — 1给出了某些二元气体在常压下(1.013 105Pa )的扩散系数。
对于二元气体扩散系数的估算，通常用较简单的由富勒(Fuller )等提出的公式:p[c V A )1/3 e V B )1/3]22式中，D —A 、B 二元气体的扩散系数，m /s ；P —气体的总压，Pa ;T —气体的温度，K ；MA 、MB —组分A 、B 的摩尔质量，kg/kmol ；7 V A 7 V B3、—组分A 、B 分子扩散体积，cm 3/mol 。
一般有机化合物可按分子式由表7-2查相应的原子扩散体积加和得到，某些简单物质则在表7-2种直接列出。
表7-1某些二元气体在常压下(5)的扩散系数系统温度/K 扩散系数/(10-5m 2/s)系统温度/K-5 2扩散系数/(10 m/s)H 2—空气 273 6.11 甲醇一空气 273 1.32 He —空气 317 7.56 乙醇一空气 273 1.0202—空气 273 1.78 正丁醇-空气 273 0.703 Cl 2 —空气 273 1.24 苯-空气 298 0.962 H 2O —空气273 2.20 甲醇一空气298 0.844 298 2.56 H 2— CO 273 6.513323.05 H 2— CO 2 273 5.50 NH 3 —空气 273 1.98H 2— N 2 273 6.89 CO 2 —空气273 1.38294 7.632981.64 H 2— NH 3 298 7.83 SO 2 —空气 2931.22He — Ar2987.297-2 原子扩散体积3v/(cm /mol) 分子扩散体积 3工 V /( cm /mol)原子扩散体积3v/(cm /mol)分子扩散体积3工 V /( cm /mol)C15.9 He 2.67 S22.9CO 18.0,其扩散系数常用 Wilke-Cha ng 公式估算:2 /m/S（7 — 21）AB= 7.4 10‘5(M B )T T 」V A 0.6式7 — 19的相对误差一般小于1 0%。
气体扩散浓度计算模型介绍(1)
E~F
472 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。
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。
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、CIGALE 2、SLOPEFMI模型 （在Fryer和Kaiser提出模型的基础上开发的） HEGADAS、HEGABOX、HGSYSTEM模型（Colenbrander） ⅡT HEAVY GAS MODELS模型（MANJU MOHAN , T. S. PANWAR 和M. P. SINGH） CHARM、ELOE模型（Eidsvik） 等等
毒气扩散模型
液氨储罐泄漏事故后果模拟一只液氨储罐发生物理爆炸，其有毒气体扩散半径计算情况如下：液氨储罐内液氨的质量W=49.41kg氨气的分子量M=17.03。
液氨的比热C=4.6(kJ/kg ·℃)液氨的沸点t 0=-33.5℃，液氨的汽化热q=1166.68(kJ/kg)介质温度常温取t= 25℃，吸入5～10min 致死的浓度为C 1=0.5%，吸入0.5～1h 致中毒的浓度C 2=0.073%。
全部液氨所放出的热量为：Q = W ·C(t -t 0)=49.41×4.6×[25-(-33.5)]=13296.23kJ其蒸发量为：W ´= Q/q =13296.23/1166.68=11.4kg在沸点下蒸发蒸气的体积：Vg= 22.4 W ´(273+t 0)/273M=22.4×11.4×1000×(273+(-33.5)/(273×17.03)=16834.73m 3储罐破裂后，氨气扩散半径为：A ．5～10min 氨气致死的浓度扩散半径为：π3421Vg/C R 13⨯=0944.2Vg/C 13＝=117.15m若液氨储罐内液氨全部泄漏，静风状态下氨气扩散半径117.15m 范围内的人员吸入5～10min 会中毒致死。
B ．吸入0.5～1h 氨气致中毒的的浓度扩散半径为：π3421Vg/C R 23⨯=0944.2Vg/C 23＝=222.47m 氨气扩散半径117.15m ～222.47m 范围内的人员吸入0.5～1h 会中毒致重病。
通过液氨泄漏中毒事故后果模拟评价得知：一个液氨储罐若发生物理爆炸，液氨迅速挥发成氨气，在无风的情况下氨气扩散半径117.15m 范围内的人员吸入5～10min ，可导致人员死亡；在扩散半径117.15m ～222.47m 范围内的人员吸入0.5～1h ，可导致人员中毒致重病。
气体扩散模型
放射气体模型的预估模型摘要本文是以日本福岛核电站遭遇自然灾害发生核泄漏的背景而提出的。
且结合了高斯烟羽模型、线性拟合，以及微分方程模型，运用MATLAB软件，分析泄漏源强度、风速、大气稳定度参数等因素对放射性气体扩散的影响，预测了放射性气体浓度在不同时间，不同地区的浓度变化，并且本文模型中数据可以根据不同的实际情况而加以改变，因而是本文的应用范围大大增加，可以适用于具有较强的应用型。
对于问题一，讨论在无风的情况下，放射性气体以s m/s的匀速在大气中向四周扩散。
本问中由于不考虑风力的影响，且扩散出来的气体匀速向四周散开，这样经过任意时刻t，扩散的气体围成一个半径为st的球，且距球心位置不同的地方浓度值不同。
采用列数列的表现方法，设定相同时间段t，把条件进行整理，并经过简单计算得出每段时间所预测得到的扩散距离r和浓度C。
利用MATLAB软件对数据进行线性拟合，采用微分方程模型得到核电站周边放射性气体在不同地区，不同时间段的浓度变化，得出随着离泄漏源距离的延伸，最后放射性物质的浓度越来越小，趋近于零，即当x趋向无穷时，C(x,y,z,t)趋向于零；当时间趋向于无穷时，C(x,y,z,t)也趋于无穷。
对于问题二，要探究风速对放射性物质浓度分布的影响。
风速的处理是问题的中心，采用大气污染的经典高斯扩散模型,实现了高斯烟团气体扩散模型的动态预测,分析计算了气体扩散过程中的各关键参数。
对于问题三，本文在问题二的基础上，结合考虑风速和放射性物质扩散速度在空间中的矢量运算，将在上风和在下风不同情况下与传播速度s之间的比较的分析，利用高斯烟羽模型对核电站周边地区的浓度进行预测，然后，利用MATLAB软件，将相关数据代入程序，我们得到核电站周边地区的浓度分布的等高曲线。
对于问题四，本文参阅整理大量气象、地理、新闻资料，选择我国东海岸典型地域---山东半岛作为研究对象，综合考虑对应海域平均风速及风向、地理距离、海水对放射性物质扩散的部分反射系数等因素，集合核电站周边的浓度等高线，可。
重气泄漏扩散影响因素分析及模型
contents•引言•重气泄漏扩散影响因素分析目录•重气泄漏扩散模型介绍•模型应用与案例分析•结论与展望定义危害重气泄漏的定义和危害背景意义研究背景和意义研究目的和问题温度与湿度温度和湿度的变化会影响大气的稳定性和重气的密度，从而影响重气的扩散行为和范围。
风速与风向风速的大小和风向的变化会影响重气的扩散速度和方向，高风速会加快扩散，而风向的不稳定会导致扩散路径的复杂性和不确定性。
大气稳定度大气稳定度决定了污染物在垂直方向上的扩散能力，稳定的大气条件会抑制重气的垂直扩散，导致重气在近地面层积聚。
气象条件影响地形高低起伏地表粗糙度障碍物与建筑物030201地形地貌影响泄漏高度泄漏物质的物理化学性质泄漏速率和持续时间泄漏源特性影响适用范围原理描述优缺点适用范围将泄漏源简化为点源，假设污染物在水平方向均匀分布，在垂直方向遵循指数衰减规律。
原理描述优缺点原理描述优缺点5. 决策支持将模拟结果应用于应急管理中，为决策者提供相关信息，以制定有效的应对措施。
4. 结果分析对模拟结果进行分析，了解重气泄漏后的扩散范围、浓度分布等。
3. 模型运行将参数输入到模型中，运行模型进行模拟。
1. 数据收集收集关于泄漏源、气象条件、2. 参数设置根据收集到的数据，设定模型中的相关参数，如泄漏速率、气体属性等。
模型应用步骤泄漏源气象条件地形地貌模拟结果案例分析一：某化工厂重气泄漏扩散模拟案例分析二：某城市燃气管道泄漏扩散模拟泄漏源气象条件地形地貌模拟结果重气泄漏扩散受到多种因素影响研究结果表明，重气泄漏扩散受到气象条件（如风向、风速、温度、湿度等）、地形地貌、泄漏源特性（如泄漏速率、泄漏高度、泄漏方向等）以及泄漏物质性质（如密度、粘度、扩散系数等）等多种因素的影响。
模型在预测重气泄漏扩散中具有重要作用通过分析比较多种模型在模拟重气泄漏扩散过程中的表现，发现某些模型在预测泄漏扩散范围、浓度分布等方面具有一定的准确性和可靠性，对于实际应急管理和风险评估具有重要意义。
放射性的气体预测模型
放射性气体扩散的预测摘要 2011年日本近海发生地震并引发海啸，沿海的核电站受到破坏，释放了大量具有放射性的物质，福岛第一核电站的核泄漏引起了来了国际社会的广泛关注。
在本文中，我们将针对核泄漏释放出的放射性物质的浓度的预测建立模型。
针对问题一：我们考虑核电站周围不同距离地区、不同时段放射性物质上网浓度建立模型。
设气体扩散在空气中的密度梯度为（drdp 0）,质量流J （单位时间内流经管道任一截面流体的质量）质量流的表达公式为J=-31V ∙λ∙(dzdp )∙S ∆ (dz dp )∙S ∆(其中Z=Z 0)。
根据菲克扩散定律：J=t M ∆∆=-D ∙(dz dp )∙S ∆(其中Z=Z 0) 通过积分最后可得物质浓度为:P(r →r+∆r)=]2^2^[32]2)^([*2]2^2^[320000）（）（Vr t V P kK V r r r r M V r t V P K -+∆+∆-πππ(r ∆取1米左右)（M 表示摩尔质量;V 表示摩尔体积） 针对问题二：由于要考虑风速的影响，我们仍可用问题一建立的模型来求解。
在上风部分和下风部分的气体浓度不同，在上风处风速的影响下扩散速度为（V-K ），在下风处风速的影响下扩散速度为（V+K ），而此时假设气体向外扩散的整体分布为一个半椭球形，椭球的短半轴为Vt ，长半轴为（V-K ）∙t+Kt=Vt.故可以把此问题的扩散范围理想化为一个半球体，上风处大于下风处的浓度而整个半球在以风速方向过电站的直线为对称轴的浓度左右具有对称性。
针对问题三：目前比较常见的有害气体泄漏与扩散机理有高斯云羽扩散、高斯云团扩散、重气云扩散和非重气云扩散、FEM3模型等，在本题中我们用高斯扩散模型进行模型建立。
可得到高架连续点源泄漏的浓度分布为：C(X 、Y 、Z 、H)=]}2)^(22)^(exp[]2)^(22)^(exp[{]2)^(22^[exp 2x H Z y H Z x y z y u Q σσσσσπ+-+--∙- 在应用高斯模型时最关键的是确定扩散参数，再应用程序计算出各处的质量浓度。
气体扩散系数的测定和计算
实验 气体扩散系数的测定和计算一、实验目的：1. 了解菲克第一定律；2. 求出液体表面蒸发气的气体扩散系数；3. 通过实验掌握用蒸发管法测定气体扩散系数。
二、实验原理：挥发性液体之气体扩散系数可藉由Winklemann’s method 来检测，在有限内径的垂直毛细管中保持固定的温度和经过毛细管顶部的空气流量，可确定液体表面的分子扩散到气体中的蒸气分压。
图 蒸发管法测定气体扩散系数已知质传速率：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=Bm T AA C C L CD 'N （1）式中：D = 扩散速率 (m 2/s)C A = A 物质于界面间的饱和浓度 (kmol/m 3) L =质传有效距离(mm)C Bm =蒸气的对数平均莫耳浓度 (kmol/m 3)2A p 气体BA Nz0z液体()时在01θz()时在θ1z1A p2zC T = 总莫耳浓度＝C A +C Bm (kmol/m 3) 液体的蒸发速率：⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=dt dL M ρN L A ' （2）式中：ρL = 液体密度⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛Bm T A L C C L C D dt dL M ρ （3） at t=0 , L=L 0 做积分t C C C ρMD 2L L Bm TA L 202⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=- （4）()()t C C C ρMD 2L 2L L L L Bm TA L 000⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+--(5)()()0A T Bm L 0A T Bm L 0L C MDC C ρL L C C C MD 2ρL L t ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=- (6)其中：M = 分子量、t = 时间⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=aabs T T T Vol kmol C 1 ， 其中 Vol ＝22.4 m 3 (7)T 1B C C =(8) T a v a 2B C P P P C ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=(9))C C ln()C (C C B2B1B2B1Bm -=(10) T a v A C P P C ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=(11)三、实验装置：本实验装置如下图所示，包括： 玻璃温度计；T型管：横管为两端开口的普通玻璃管，用于气体流通；竖管为下端封口的毛细管，用于盛放丙酮溶液(丙酮为被测气体)，由于使用了毛细管，可以将被测气体的扩散视为一维的竖直扩散；温度传感器、恒温槽（透明压克力箱）、泄水阀；游标尺：实验中使用精度为0.1mm的游标卡尺，可以通过显微镜对毛细管内的液位进行测量；游标尺高度计支撑架、显微镜（由于游标卡尺刻度较密，且置于水浴箱中，要借助显微镜进行读数）；温度显示面板、heater 开关、电源线、air pump 开关、air pump (黑色压克力箱)、浮动开关、伸缩管。
大气污染物扩散模式
扩散参数的确定－P－G曲线法
P－G曲线的应用 根据常规资料确定稳定度级别
*
扩散参数的确定－P－G曲线法
P－G曲线的应用 利用扩散曲线确定 和
*
扩散参数的确定－P－G曲线法
P－G曲线的应用 地面最大浓度估算
*
扩散参数的确定－中国国家标准规定的方法
我国在修订P-T法基础上产生了国家标准法(GB/T 13201-91)。
*
（3）我国“制订地方大气污染物排放标准的技术方法” (GB/T13201-91)中的公式——在没有特别要求时，应优先使用国家标准规定的方法。
*
例：某市远郊区电厂烟囱高160m，烟囱排出口内径5m，排烟速度12m/s。烟气温度135℃，周围大气温度15 ℃。大气稳定度C级，源高处风速6 12m/s。 试分别用霍兰德、布里格斯、国家标准公式计算烟气抬升高度（假设下风向距离x=2km）
*
例：某冶炼厂烟囱高150m，烟气抬升高度75m，SO2排放量1000g/s 。估算风速3m/s，大气稳定度C级时地面最大浓度是多少？发生在什么位置？ （分别用P-G法和国家标准方法计算）
第二步：确定出现地面最大浓度的下风向距离。
第一步：确定出现地面最大浓度的Z向扩散参数。
第三步：确定出现地面最大浓度的y向扩散参数。
*
*
公式中与气象有关的参数取值方法： ū的取值：①取多年平均值；②取某一保证率的值：如已知ū＞3m/s的频率为80%，取3m/s可保证有80%不超标，而地面平均最大浓度可能比规定标准更低。
烟囱出口直径的计算：
*
例：地处丘陵的某炼油厂进行扩建，拟新建一烟囱排放污染物。烟囱排放条件为：出口内径3m，出口速度15m/s，烟温140 ℃ ，大气温度17 ℃ ， H2S排放量7.2kg/h。离该厂2500m处有一城镇，大气中H2S现状浓度是0.5μg/m3，为使该城镇H2S的浓度低于10 μg/m3 ，问要建多高的烟囱才能满足要求？设计风速取3m/s。
气体扩散浓度计算模型介绍
常见的泄露源: 常见的泄露源: 爆炸形成瞬时泄露——烟团 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； 初始阶段： 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 重力沉降阶段和空气卷吸阶段： 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。 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， 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， 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： 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。 大气湍流扩散阶段( 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。
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 污染性泄露 相关背景
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， 燃或在一定条件下产生的有毒气体， 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 日常生活方面： – 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 工业用气体的泄漏， 量的有毒有害， 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
放射性气体扩散的预估模型数学建模优秀论文
A题：放射性气体扩散的预估模型一：题目设有一座核电站遇自然灾害发生泄漏，浓度为p0的放射性气体以匀速排出，速度为m kg/s，在无风的情况下，匀速在大气中向四周扩散, 速度为s m/s.1）请你建立一个描述核电站周边不同距离地区、不同时段放射性物质浓度的预测模型。
2）当风速为k m/s时，给出核电站周边放射性物质浓度的变化情况。
3）当风速为k m/s时，分别给出上风和下风L公里处，放射性物质浓度的预测模型。
4）将你建立的模型应用于福岛核电站的泄漏，计算出福岛核电站的泄漏对我国东海岸，及美国西海岸的影响。
计算所用数据可以在网上搜索或根据具体情况自己模拟。
二：摘要本论文关于核泄漏核电站周边不同距离地区、不同时段放射性物质浓度的预测模型，根据“泄漏放射性物质质量守恒定律”和“热传导定律”单位时间通过单位法向面积的流量与浓度梯度成正比。
要探究风速对放射性物质浓度分布的影响:须考虑到P-G-T方法, Pasquill把风速和辐射状况作为划分稳定度等级的指标。
利用常规气象资料把大气的扩散能力划分为六个稳定度等级，从A到F（极不稳定—稳定）。
还考虑到城市:污染源多种多样,下垫面粗糙热岛效应。
使得微气象特征和大气扩散规律与平原有着显著不同，城市中的高层建筑物、体形大的建筑物和构筑物，都能造成气流在小范围内产生涡流，阻碍气流运动，减小平均风速，降低了近地层风速梯度，并使风向摆动很大，近地层风场变得很不规则。
关于问题四，在结合模型一、模型二的条件下，在参阅整理大量的气象、地理新闻质料，日本核事故期间核泄露产生放射性物质在低层先向南再向东扩散，据中央气象台预报，核泄漏期间日本近地面以西北风为主，核辐射物质的辐射量非常微量远低于当年切尔诺贝利灾害带给亚洲的辐射量不会影响到公众健康，不必担心福岛核电站事故产生的辐射物造成的危害。
关键字: 放射性气体扩散泄露放射物质质量守恒热传导定律 P-G-T模型热岛效应三：符号说明与名词解释t —气体扩散时间，气体由泄露源泄漏时刻t=0 x,y,z —以泄漏源为坐标原点，空间任意一点的坐标 C —空间中任一点的气体浓度 k —气体扩散系数Q —气体由扩散源扩散时施放的气体总量μ—平均风速y σ—用浓度标准偏差表示y 轴上的扩散参数z σ—用浓度标准偏差表示的z 轴上的扩散参数H —气体扩散的有效高度 x —下风方向到泄漏点源的距离 y —侧风方向离泄漏源点的距离 z —垂直向上方向离泄漏源点的距离 k-风速s-放射性气体排除后向四周扩散的速度四：问题重述设有一座核电站遇自然灾害发生泄漏，浓度为p 0的放射性气体以匀速排出，速度为m kg/s ，在无风的情况下，匀速在大气中向四周扩散, 速度为s m/s. 5）请你建立一个描述核电站周边不同距离地区、不同时段放射性物质浓度的预测模型。
扩散方程 (2)
扩散方程引言扩散方程是描述物质扩散现象的方程之一。
在自然界中，扩散是一种常见的物理现象，例如气体的自由扩散、液体中的溶质扩散以及热量的传导等都可以通过扩散方程来描述。
扩散方程在物理学、化学、工程学等领域都有广泛的应用。
扩散方程的基本概念扩散是指物质由高浓度区域朝向低浓度区域的自发运动。
在数学上，扩散过程可以用扩散方程来描述。
扩散方程是一个偏微分方程，一般形式可以写为：$$ \\frac{{\\partial u}}{{\\partial t}} = D \\cdot \ abla^2 u $$其中，u是描述扩散物质浓度的函数，u是时间，u是扩散系数，uuuu2表示拉普拉斯算子。
上述方程可以解释为：物质的浓度随时间的变化率等于扩散系数和浓度分布的二阶导数之积。
扩散方程的求解方法扩散方程是一个偏微分方程，通常需要采用数值方法来求解。
以下介绍几种常见的求解方法。
有限差分法有限差分法是求解偏微分方程的常用方法之一。
基本思想是将求解区域离散化为有限个点，并通过近似求解偏微分方程的导数。
具体步骤如下：1.将求解区域网格化，并给出相应初始条件和边界条件；2.将扩散方程转化为差分格式，例如中心差分格式；3.迭代计算网格中的节点的值，直到达到收敛条件。
有限差分法的优点是简单易行，适用于一维、二维以及三维空间的扩散问题。
但是其精度较低，对网格尺寸和时间步长的选择敏感。
有限元法有限元法是一种广泛应用于求解偏微分方程的数值方法。
其基本思想是将求解区域分割为有限个单元，并在每个单元内逼近解的形式，然后通过拼接所有单元的解来得到整体的解。
具体步骤如下：1.将求解区域分割为有限个单元，并给出相应初始条件和边界条件；2.在每个单元内选择适当的插值函数形式，建立单元内的近似解；3.将各个单元的近似解拼接起来，形成整体的解；4.通过求解线性方程组得到近似解的系数。
有限元法的优点是适用于复杂几何形状的求解区域，精度较高，并且对网格尺寸的选择相对灵活。
数学建模气体扩散模型
数学建模气体模型：
模型假设：
1 假定武汉地区为立方体模型，用V 表示体积，用S 表示面积，边长为92公里，高为100米。
2 气体在无风作用下扩散速度为1.5m/s 。
3 PM2.5在任何空域都是均匀、连续的，浓度用c 表示。
4 K 为单位时间产生PM2.5的质量（减少PM2.5的关键在于减小K 值），并假定采取措施后，K 值随时间线性减小，Q 为单位时间扩散的体积。
模型：PM2.5浓度改变量=产生量-扩散量，建立微分方程：
119
10
p x dx -p x dx -p x dx V [()()](())1(())V
Q c t +
c t =V V
c =c=V=8.510K =10Q=S v
=1.310y +p x y=q x y=c e +e q x e dx
c t c t t c t K Q c t t
d K Q c t d K a b t
a b t ⨯+-=-⨯⨯=⨯-⨯=-⨯-⨯⨯⨯⨯⨯⎰⎰⎰⨯⨯⨯⎰ ’初’（）（）（）（）（）边界条件：（0）280，五年后 35经计算，得，由一阶线性非齐次微分方程
（）（）
（）9-.t -7K=10-1.92t
c=280e +1.710t+0.0769⨯⨯⨯（00153）（）得出
由上述计算看出，通过采取措施，不断减少K （单位时间产生PM2.5的质量），减少排出量，进而降低PM2.5的浓度，五年后（t=4.56⨯810），K=83
10/g m μ，进而PM2.5浓度由33280/35g /g m m μμ减至。
气体扩散
(三)高架连续点源扩散模式（有界空间）实际的污染物排放源多位于地面或接近地面的大气边界层内，污染物在大气中的扩散必然会受到地面的影响，这种大气扩散称为有界大气扩散。
所以在建立大气扩散模式时，必须考虑地面的影响。
根据前述假定(4)污染物在扩散中质量守恒，即污染物在扩散过程即不增加也不减少。
图4-3根据无界空间点源扩散的高斯模式，可以推导出高架连续点源在正态分布假设下的高斯扩散模式。
式中、-- 污染物在y、z方向分布的标准差，m；ρ-- 任一点处污染物的浓度，g/m3；-- 平均风速，m/s；H -- 有效源高，mQ -- 源强，g/s如图4-3所示，我们可以把P点污染物浓度看成是实源贡献和像源贡献之和：实源贡献像源贡献所以点的实际污染物浓度应为由此模式可以求出下风向任一点的污染物浓度。
下面介绍几种常用的大气扩散模式。
(1)地面浓度模式 (2)地面轴线浓度模式(3)地面最大浓度模式(1)地面浓度模式我们最关心的是地面上污染物浓度，而不是空间任一点的污染物浓度。
令Z=0，由高架点源扩散模式，得:高架连续点源高斯模式推导示意图(2)地面轴线浓度模式地面浓度是以X轴对称的，轴线X上具有最大值，向两侧（y 方向）逐渐减小，由地面浓度模式，令y=0时，得到地面轴线浓度模式：由地面浓度模式在y=0时得到地面轴线浓度：(3)地面最大浓度模式（即地面轴线浓度最大浓度）我们知道，，是距离x的函数，而且随x的增大而增大。
两项共同作用的结果，必然在某一距离x处出现浓度的最大值。
在最简单的情况下，假设标准差的比值不随x的变化而变化，而是一常数把地面轴线浓度对求导，并另其等于0，再经过一些简单运算，即可求得地面最大浓度及其出现距离的计算公式：。
大气污染物扩散高斯模型模拟
9.2.2大气污染物扩散的高斯模型模拟：可视化模拟点源大气污染的扩散9.2.2 Gaussian Atmospheric Dispersion Model突发性大气污染事故时有发生，对大气污染扩散进行模拟和分析，有利于减小事故的危害，减轻人员伤亡和财产损失。
高斯扩散模型是国际原子能机构(IAEA)推荐使用于重气云扩散模拟的数学模型,该模型在非重气云扩散的应用日益广泛。
高斯扩散模型是描述大气对有害气体的输移、扩散和稀释作用的物理或数学模型,是进行灾害预测和救援指挥的有力手段之一。
9.2.2.1高斯扩散模型高斯模型又分为高斯烟团模型和高斯烟羽模型。
大气污染物泄漏分为瞬时泄漏和连续泄漏，瞬时泄漏是指污染物泄放的时间相对于污染物扩散的时间较短如突发泄漏等的情形，连续泄漏则是指污染物泄放的时间较长的情形。
瞬时泄漏采用高斯烟团模型模拟，而连续泄漏采用高斯模型烟羽模型模拟。
高斯模型适用于非重气云气体，包括轻气云和中性气云气体。
要求气体在扩散过程中，风速均匀稳定。
在高斯烟团模型中，选择风向建立坐标系统，即取泄漏源为坐标原点，x轴指向风向，y轴表示在水平面内与风向垂直的方向，z轴则指向与水平面垂直的方向，具体公式见式(9.1):(9.1)(mg/s); x、y、z轴上的扩散系数，需根据大气稳定度选择参数计算得到(m)；x、y、z表示x、y、z上的坐标值(m)；u表示平均风速(m/s)；t表示扩散时间(s)；H 表示泄漏源的高度(m)。
同理，高斯烟羽模型的表达式如：(9.2)9.2.2.2 技术方法若用高斯模型算出空间每一个点在一个时刻的污染浓度，这个计算量是很大的。
因此所设计的系统一般都是采用先进行图层网格化，由高斯模型计算出有限个网格点的上的污染物浓度，在进行空间内插得到面上每一个点的污染物浓度，并由此得到污染物浓度的等值线。
整个过程的示意图如图9.2.1所示图9.2.1 大气污染扩散的高斯模拟的步骤1) 图层网格化图层网格格式分为结构化网格、非结构化网格。
fluent 组分输运 室内气体扩散计算
fluent 组分输运室内气体扩散计算下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
文档下载后可定制随意修改，请根据实际需要进行相应的调整和使用，谢谢!并且，本店铺为大家提供各种各样类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，如想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by the editor. I hope that after you download them, they can help you solve practical problems. The document can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you!In addition, our shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts, other materials and so on, want to know different data formats and writing methods, please pay attention!专题：流畅组分输运：室内气体扩散计算引言室内气体扩散计算是建筑工程、环境保护以及安全管理领域的关键技术之一。
CASSTQRA重大危险源区域定量风险评价软件V简介PPT
八、计算结果输出：事故后果图（闪火）
CASSTQRA重大危险源区域定量风险评价软件V简介
八、计算结果输出：事故后果图（有毒气 体扩散）
CASSTQRA重大危险源区域定量风险评价软件V简介
九、计算结果输出：个人风险等值线
CASSTQRA重大危险源区域定量风险评价软件V简介
十、计算结果输出：社会风险曲线
CASST-QRA重大危险源区域 定量风险评价软件V2.0
中国安全生产科学研究院 China Academy of Safety Science & Technology
CASSTQRA重大危险源区域定量风险评价软件V简介
一、软件的设计思想及几个重要的概念
基于设备设施失效概率、各种事故情景概率以及相 应的事故后果，进行整体量化风险计算，得出个人风险 和社会风险，最终依据风险标准来判定危险源造成的风 险是否可接受。
失效概率：储罐、压力容器、管道、阀门、泵体、 压缩机、反应器、塔器等设备设施都有一定的失效概率。 本软件内部含有这些设备设施失效的基础概率，并基于 这些概率计算出不同孔径的失效概率。
CASSTQRA重大危险源区域定量风险评价软件V简介
一、软件的设计思想及几个重要的概念
事故情景：包括泄漏情景和事故灾害情景。 泄漏情景：小孔泄漏、 中孔泄漏、大孔泄漏等；事故灾害情景：池火灾、云爆、火球、 整体爆炸、气体扩散等。 事故后果：每种事故情景可造成相应的伤害范围，一般用死亡区、 重伤区和轻伤区来描述，伤害范围越大也就表示事故后果越严重。 个人风险：危险源周边某一固定位置人员在单位时间内的个体死 亡率。例如1：10-6 次/年。通常采用个人风险等值线来直观地描 述危险源周边的个人风险。
可容许风险 （/年）
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
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
E~F
472 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。
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。
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
箱模型实例（by Van Ulden，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Van Ulden（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（by Van Ulden，1970）
g ( a )H dR Uf k dt r
1 2
ρr，ρa－为气云的“参考”密度和空气密度，kg· m-3； K－为常数。
箱模型对重气研究基本假定
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：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Van Ulden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。
气体泄漏扩散研究方法
试验法 风洞实验法 模型法
试验数据
试验法
问题特点
比例 风洞实验
验证 模型
特征提取与模化
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。 Britter and McQuaid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。
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。
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
1 ’ g 0 Vc0 2 Cm x ＝f c ， 2 ....... 连续 .......... 1 C0 Vc0 2 5 （ ） u u 1 ’ 3 g V Cm x ＝f i ， 0 2i0 .......... .......... 瞬时 1 C0 u V 3 i0
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、CIGALE 2、SLOPEFMI模型 （在Fryer和Kaiser提出模型的基础上开发的） HEGADAS、HEGABOX、HGSYSTEM模型（Colenbrander） ⅡT HEAVY GAS MODELS模型（MANJU MOHAN , T. S. PANWAR 和M. P. SINGH） CHARM、ELOE模型（Eidsvik） 等等
箱模型：重性气向非重气的转折
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。
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。
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。
验证试验
名 称 项 目 Burro Coyote Desert Tortoise Goldfish Maplin Sands Thorney island (瞬时) Thorney island (连续)
试验次数
试验介质
8
LNG
3
LNG
4
NH3
3
HF
12
LNG
9
氟里昂氮气
2
氟里昂氮气
泄放形态
泄放总量/kg 泄放时间/s
水
0.0002
水
0.0002