气体扩散浓度计算模型介绍

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。
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。
模型验证情况
ⅡT Heavy Gas Models瞬时泄漏扩散模型 对Thorney Island Tests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，ⅡT Heavy Gas Models连续泄漏扩 散模型对Maplin Sands Tests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。
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。
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。
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· -3； m 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。
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
Cm，C0－分别为气云横截面上的平均浓度、初始浓度，kg· -3； m Vc0－为连续烟流释放的初始气云体积流量，m3· -1； s 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· -1； s 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。
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
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。
沸点重气
10700~ 17300 79～190
沸点重气
6500~ 12700 65～98
二相重气
10000~ 36800 126～381
二相重气
35000~ 38000 125～360
沸点重气
1000~ 6600 60～360
气体重气
3150~ 8700 瞬时
气体重气
4800 460
泄放表面
表面粗糙度R
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
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。
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
Biblioteka Baidu
泄放形态
泄放总量/kg 泄放时间/s
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。
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ⅡT Heavy Gas Models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。
水
0.0002
水
0.0002
沙土
0.003
沙土
0.003
水
0.0003
沙土
0.005～0.018
沙土
0.01
大气稳定等级
扩散最远距离 /m 试验时间
C~E
140～800 1982年
C~D
300～400 1983年
D~E
80 1985年
D
3000 1987年
D
460～650 1984年
D~F
500～800 1985年
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 （ u5 u 1 ’ x g 0 Vi0 3 Cm .......... ＝f i ， 2 .......... 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。
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
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。