SLAB用户手册模拟重气体泄漏的空气扩散模型中文简要

SLAB 用户手册:模拟重气体泄漏的空气扩散模型

中文简要用户使用手册

环境保护部环境工程评估中心

国家环境保护环境影响评价数值模拟重点实验室

手册说明

本用户手册基于《USER’S MANUAL FOR SLAB: AN ATMOSPHERIC DISPERSION MODEL FOR DENSER-THAN-AIR RELEASES》(1990.06)编写，仅对美国EPA网站所提供的模拟重气体泄漏的空气扩散模型SLAB的使用方法提供中文版简要说明，更详细的程序使用说明请查阅相关的软件手册及文档，或采用带图形界面版的商业软件。

本手册由环境保护部环境工程评估中心国家环境保护环境影响评价数值模拟重点实验室负责编写，参与人员包括：易爱华、陈陆霞、胡翠娟、梁昊、杨晔、丁峰等。

本手册版权所有，转载及印刷请与环境保护部环境工程评估中心联系。

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一、SLAB简介

SLAB是用于模拟重气体泄漏的空气扩散模型。该模型最初基于Zeman于1982年提出的关于重气体云的空气卷吸和重力扩散的理念而开发。SLAB早期相关工作由美国能源署支持。SLAB的进一步开发由USAF工程和服务中心（1986年开始）和美国石油学会（1987开始）共同提供支持。

现行的SLAB版本可以模拟连续的、限时的和瞬时的物质泄漏，泄漏源包括以下4种：地面液池蒸发、高于地面的水平射流、烟囱或高于地面的垂直射流，以及瞬时释放。

SLAB除可以用于模拟重气体的扩散，还可以模拟中性浮力气体的烟云扩散，以及烟云轻于空气时的上升过程。

泄漏时的空气扩散过程可以通过求解质量、动量、能力和物质的守恒方程来计算，如图1所示。为了简化守恒方程的求解过程，方程可以通过将烟云作为稳态烟羽或瞬时烟团在空间上进行平均。连续排放（持续时间非常长的排放源）可以作为稳态烟羽。有限时间的排放采用稳态烟羽模式描述最初烟云的扩散，而且在该排放源持续泄漏的时间段内，可以一直使用稳态烟羽模式。释放一旦终止，烟团被视为瞬时烟团，之后的扩散采用瞬时烟团模式来计算。对于瞬时泄漏的排放源，整个过程都均使用瞬时烟团扩散模式。

二、理论介绍

2.1重气体扩散模型简介

重气体泄漏的空气扩散模型受到多种物理现象的影响，这些物理现象在中性或浮力气体泄漏中可能不会发生或者即便发生也不是很重要。这些物理现象包括：重气体烟云的稳定密度分层导致的湍流衰减；由于重力流和初始排放源动量导致的环境速率场的改变；由于液滴形成和挥发以及在过热或低温液体排放情况下的地面加热对烟云温度、浮力和湍流的热力学效应；此外，我们所关注的某种特定的重气体的浓度可能和典型大气污染物关注的累积浓度差别很大。例入，对于易燃气体，关注的是瞬间浓度；而对于有毒气体，关注的则是几分钟到几小时的浓度，以及累积浓度。因此，为了能够更好的预测出重气体泄漏时有毒浓度区的大小和持续时间，所有重要的物力现象都需要进行考虑，而且预测过程中要使用最合理的浓度平均时间。

为了满足重气体泄漏情形的要求，SLAB模型以质量、动量、能量和物质守恒方程的平均形式为起点，在该理论框架的基础上进行开发（如图1所示）。这些方程用于计算扩散烟团的空间平均性质，并且以两种方式来代表两种不同的扩散模式：稳态烟羽扩散模式和瞬时烟团扩散模式。

2.2模型组成

SLAB模型的计算流如图2所示。一个典型的模拟过程主要包括三个层次：源类型识别和初始化，烟云扩散计算和时间平均浓度计算。通过守恒方程求解，获得瞬时空间平均气云特性，从而计算得到时间平均体积浓度。

2.3控制扩散方程

2.3.1稳态烟羽模式

SLAB的稳态烟羽模式基于稳态侧风向平均的质量、动量、能量和物质守恒方程，并且使用空气卷吸概念来考虑气体云与环境大气的湍流混合，如图3所示。

图3 SLAB 烟羽扩散模型预测的重气云扩散

2.3.2瞬时烟团模式

Slab的瞬时烟团模式基于体积平均浓度的质量、动量、能量和物质守恒方程，采用空气卷吸理念来考虑云和周围空气的湍流混合。

图4 SLAB 烟团扩散模型预测的重气体云扩散

2.3.3烟羽向烟团转化模式

瞬时排放源或短时间持续的液池蒸发可以采用烟团模式进行模拟，同时泄漏结束或者稳态期结束后的泄漏源也可以采用烟团模式进行模拟。在后一种情况下，当扩散方程由稳态烟羽方程向瞬时烟团方程转变时，存在空间平均气云性质在计算上的转变。稳态烟羽模式下，在气云的侧风向上进行空间平均；瞬时烟团模式下，在气云的整个体积上进行空间平均。因此，为了开始烟团模式的计算，需要定义这一转变时刻的传输时间，该时间的云长度，以及此时的质量中心。

三、用户指南

3.1输入文件

运行SLAB需要约30个输入参数。这些参数包括源类型、源性质、泄漏性质、场地性质、气象参数等。

表1 输入变量的定义

源类型和数值子步骤参数

—IDSPL泄漏源类型

1——液池泄漏

2——水平喷射泄漏

3——垂直喷射或烟囱泄漏

4——瞬时或短持续时间液池挥发—NCALC数值子步骤参数

源性质

—WMS泄漏物质的分子质量（KG）

—CPS恒压下的蒸汽热容（J/KG K）

—TBP沸点温度（K）

—CMEDO初始液体质量比

—DHE汽化热（J/KG）

—CPSL液体热容（J/KG K）

—RHOSL源物质的液体密度（KG/M3）

—SPB饱和气压常数（默认：SPB=-1.0）

—SPC饱和气压常数（默认：SPC=0.0）

泄漏参数

—TS初始泄漏温度（K）

—QS源泄漏速率（KG/S）

—AS源初始扩散面积（M2）

—TSD连续源持续时间（S）

—QTIS瞬时源泄漏量（KG）

—HS源高度（M）

场地参数

—TAV浓度平均时间（S）

—XFFM最大下风向距离（M）

—ZP(I)浓度计算高度（M）；I=1，4

气象参数

—ZO地表粗糙度（M）

—ZA环境测量高度（M）

—UA环境风速（M/S）

—TA环境温度（K）

—RH相对湿度（百分娩比）

—STAB稳定度等级

等级值描述

A-F 1.0-6.0不稳定—稳定

默认0.0输入稳定度参数“ALA”

—ALA M-O长度的倒数（1/M）

（ALA是仅当STAB=0.0成立时的输入参数）