毒物泄漏及扩散模型第四次

Cx,y ,z,t
4
t32Q m K xK yK zexp 4 1 t K x2 xK y2 yK z2 z
（5-34）
Cx ,y ,z,t8t32Q m K xK yK zex p 4 1 t K x2 xK y2 yK z2 z
（CASE-5）
（5-29）
化工安全工程
Chemical engineering safety fundamenta邹l 海an魁d application
Email: zouhk@mail.buct.edu.cn Tel: 64443134
1
内容回顾
第四章泄漏源模型
一、源模型简介 依据描述物质释放时所表现出的物理化学 过程的理论，或传递过程理论及经验方程 而建立。 作用：源模型给出了流出速率、流出总量 (总时间)和流出状态。
2、作用
毒物释放和扩散模型是后果模拟步骤的重要部分；是应急管 理、应急响应、应急决策的基础。
前言
3、步骤
– 确定泄漏事件、泄漏源（第4章介绍了7种泄漏源模型） – 建立源模型，对事故释放、释放速率、释放量等进行
描述。 – 应用扩散模型估算下方向有毒有害物质的浓度，并由
此根据一些准则来评估释放的后果及影响。
CASE-6：有风情况下稳态连续点源释放，湍流扩散系数各向异性
与CASE-4相同，差别在于扩散系数
●连续释放， Qm=常数
●风沿一个方向如x方向： uj uxu常 数
● Kx Ky Kz
●边界条件： r r,c0;
化简为：
u ct Kx x2c2Ky y2c2Kz z2c2
Cx,y,z4xQ K myKzexp4 uxK y2 yK z2 z
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
CASE-2：无风烟团扩散
●
一定量
Q
* 的物质瞬间释放
m
●无风：
uj 0
● 湍流扩散系数不变（所有方向上 K j = K * ） ● 边界条件： r r,c0;
c
t xj
ujc
xj
Kt
c xj
K 1* c t x 2c 2 y 2c 2 z 2c 2d drr2d dc r
初始 加速 和稀 释
,,D
源
• 风
•
内部浮 力占支
周围
配地位 转变区 环 境 湍流
占支
配 地• 位
图5-6 泄漏物质的初始动量和浮力影响烟羽的特性
喷射气体动量将气 体带到释放点上方 高处，使有效释放 高度更高。
气体喷出后气体物
化性质（ ρ，μ，D ）
等导致气体是（上 浮还是下沉）及其 快慢。
经过一定时间在空 气里传播后，释放 的气体被充分稀释 混合，与局部大气 环境物化性质一致，
Qm=常数
uj uxu常数
● 湍流扩散系数不变（所有方向上 ）
K j=K *
● 边界条件：
r r,c0;
u c2c2c2c K* x x2 y2 z2
任意点处平均浓度：
（5-24） C (x ,y ,z) 4K *Q x 2 m + y 2+ z 2e x p 2 K u* x 2 + y 2 + z2 x
前言
1、有毒物质泄漏扩散模型的意义
• 事故期间，过程单元或设备释放出大量有毒物质，形 成的危险气云可能传播到整个工厂区域和当地社区。
• 重大化学品事故（如Bhopal）的发生及后果，使人们 意识到应急计划的重要性，将工厂设计成毒物释放事 故发生最少、事故后果最小化的重要性。
• 需要毒物释放模型，描述其迁移转化过程规律。
Cx,y,z,t 8(Q K m **t)32expx2+ 4K y2*+ tz2
（5-20 ）
5.2 中性浮力扩散模型：处理
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
CASE-3：无风情况下的非稳态连续点源释放(从开始释放到达到稳态前) ● 质量释放速率不变： Qm=常数 ●无风： u j 0 ● 湍流扩散系数不变（所有方向上 K j = K * ） ● 初始条件： t 0,C x,y,z 0 ●边界条件： r r,c0;
xj
Kt
xj
（5-7 ）
Kt：湍流扩散系数，取决于大气湍流程度、地形条件等
对式（5-7），可给定适当的初始条件（t=0的条件）和边界 条件，即可对各种情况进行求解。
5.2 中性浮力扩散模型
z 风向，风速u
释放
源
x
0
图5-7：风作用下连续点源泄露（烟羽）
y
x：风向；y：横风向；z：垂直风向
用于扩散模型的坐标系
（5-31）
沿烟羽中心， y z 0
C
x
Qm
4x KyKz
（5-32）
5.2 中性浮力扩散模型：处理
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
CASE-7：有风下的烟团
与CASE-5相同，但有风
●烟团释放，
Qm*Const
●风沿x方向：
uj uxu常 数
●各方向湍流扩散系数不同，Kx Ky Kz
●边界条件： r r,c0;
（CASE-6）
（5-31）
5.2 中性浮力扩散模型：处理
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
CASE-10：连续的稳态源。释放源在地面上方
对此种情形，地面起着距源H处的不能渗透的边界作用 。
●连续释放， Qm=常数 ●风沿一个方向x方向： uj uxu常 数 ● Kx Ky Kz
5.1 扩散影响参数
• 扩散模型用于描述事故释放后由释放源开始向 其他地点及大范围区域的大气输送过程。释放 发生后，大气中的毒害物质在风作用下以烟羽 方式（连续源，图5-1）、或云团方式（瞬时源， 图5-2）带走。
1. 风
物质连续泄漏形成烟羽
风
连续泄漏处
形 状 与 风 速 有 关 、与 气 云 性 质 有 关 、地 形 ，释 放 源 位 置 及性质有关 烟羽：通过与新鲜空气混合而消散
（5-7）化简为：
1 c 2c 2c 2c K*t x2 y2 z2
Cx,y,z,t
4QK m*rerfc
x2+y2+z2
2 K*t
（5-22）
5.2 中性浮力扩散模型：处理
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
CASE-4：有风情况下的稳态连续点源释放
●质量释放速率不变： ●风沿一个方向如x方向：
ujc
xj
c
Kt
xj
（5-7）
化简为：
ct Kxx2c2Kyy2c2Kzz2c2
C x,y,z,t8 t3 /2 Q K * xK m yK zex 4 1 p t K x2 xK y2 yK z2 z （5-29）
5.2 中性浮力扩散模型：处理
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
5.2 中性浮力扩散模型
z
不同时刻烟团表面浓度相等
风向，风速u
x
0
t2时的烟团
t1时的烟团，
y
以速wenku.baidu.comu向下风 处移动
图5-8 风作用下烟团随风的移动 x：风向；y：横风向；z：垂直风向
5.2 中性浮力扩散模型：处理
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
CASE-1：无风情况下、稳态、连续点源释放 ● 质量释放速率不变： Qm=常数
二、释放机理
大孔和有限孔
内容回顾
第四章泄漏源模型
三、7个基本模型 液体经孔洞流出 液体经贮罐上的孔洞流出 液体经管道流出 蒸汽经孔洞流出，塞压 气体经管道流出 闪蒸液体 液池蒸发或沸腾
第五章：毒物泄漏及扩散模型
主要内容：
• 有毒物质泄漏及扩散模型的意义、步骤、作用。 • 扩散影响参数。 • 中性浮力扩散模型、14个例子； • Pasquill-Gifford模型 • 重气扩散 • 毒性作用标准 • 释放动量和浮力的影响 • 释放缓解
2. 大气稳定度
高
500
度
M
400
300
夜间
•
昼间
200
100
0
-1
1
3
5
7
9
11
温度 摄氏度
图5-3，昼间和夜间空气温度随高度的变化， 温度梯度影响空气的垂直运动
大气稳定度与空气的
垂直混合有关。白天， 空气温度随高度增加而 下降，地面处空气受热 密度变小（蒸腾），向 上运动；夜晚，空气温 度随高度增加下降不多， 垂直运动较少。此外， 由于土壤、地表导热系 数大，夜间无太阳辐射， 地面附近空气温度要降 低，空气密度变大，垂 直方向运动较小。
图5-1 物质连续泄漏形成烟羽
1. 风
物质瞬时泄漏形成烟团
风
物质瞬时 泄漏生成
烟团
三个烟团表面浓度相等：c环
t1时的烟团
t 2时的烟团
烟团向下风移动并通过与新鲜空气混合而消散
图5-2 物质瞬时泄漏形成烟团
5.1 扩散影响参数
多个因素影响着毒害物质在大气中的扩散： 风速； 大气稳定度； 地形条件（建筑物、地面类型、地面构 筑物）； 释放源离地面的高度； 释放的初始动量和浮力。
通过坐标移动，经处理后可以得到：
C x ,y ,z,t8 t32Q m K xK yK zex p 4 1 t x K -u x t2K y 2 yK z2 z
（5-33）
5.2 中性浮力扩散模型：处理
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
CASE-8：释放源在地面上的无风时的烟团 与CASE-5相同，但释放源在地面。释放源在地面代表不能 渗透的条件，因此浓度是CASE-5的两倍
● 无风： u j 0
● 稳态： c 0
t
● 湍流扩散系数不变（所有方向上 K j = K * ）
●边界条件： r r,c0;
c
t xj
ujc
xj
Kt
c xj
2c x2
2c y2
2c z2
0
经坐标变换和积分：
C
x,y,z
Qm
4K*
1 x2+y2+z2
（5-16 ）
5.2 中性浮力扩散模型：处理
5.2 中性浮力扩散模型：处理
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
CASE-9：释放源在地面上的稳态烟羽 与CASE-6相同，但释放源位于地面，如图5-9所示。地面不能 渗透。结果是浓度应是CASE-6的浓度的2倍
Cx,y,z2xQ K myK zexp4 u xK y2 yK z2 z
（5-35）
Cx,y,z4xQ K myK zexp4 u xK y2 yK z2z
3. 地面条件
地面条件：影响地表的机械混合和随高度变化的风速
•
风速梯度 500
400
高 度 M 300
•
200
100
0 城市
•
郊区
光滑水面
图5-3 地面情况对垂直风速梯度的影响
地面条件通过对大 气施加曳力（摩擦 力）改变风速分布 及大小。
平坦的地面、水面 等曳力小。
高层建筑、密集建 筑群等曳力、起作 用的范围均比较大。
5.释放物质的浮力和动量
释放物质的浮力和动量改变了泄漏的有效高度；释放 物质的物化性质决定了扩散影响的区域和程度。
喷泉
5.2 中性浮力扩散模型
• 中性浮力扩散模型用来估算释放后所释放出的气体与空气混合，导 致混合气体具有中性浮力后下风向各处的浓度；适用于低浓度气体。
• 经常有两种中性浮力蒸气云扩散模型：烟羽（连续源释放）和烟团 模型（瞬时释放）。烟团模型可用来描述烟羽；对涉及动态烟羽的 研究（如风向变化），须使用烟团模型。
2. 大气稳定度
稳定度划分：不稳定、中性和稳定 划分标准：对地面加热速度与地面散热速度相对快慢 • 1 加热速度＞地面散热速度
地面附近的空气温度比高处的空气温度高，地表附近空气 的密度小，上层空气密度大，密度小的空气在这种浮力 作用下上升，导致大气不稳定。[晴天上午9、10点后，肉 眼会观测到地表升腾；春秋早晨水雾消散]。F浮＞F重 • 2 加热速度=散热速度。热量对大气扰动很小，但很难长 久保持。F浮=F重 • 3 加热速度＜散热速度。地面附近的温度比高处空气的温 度低，地表附近空气密度大于高处空气的密度。F浮＜F 重。重力影响抑制了大气机械湍流。
4.释放高度
对地面浓度的影响很大，释放高度越大，地面浓度越低。
。
• 随着泄漏高度
的增加，烟羽
达到地面的时
H2 H1
L2 L1
间和距离均增 加；此外，烟 羽到达地面时 的浓度也会更
低，原因是烟
图5-5 泄漏高度增加地面浓度降低
羽被更多的稀 释。
5.释放物质的浮力和动量
释放物质的浮力和动量改变了泄漏的有效高度；释放物 质的物化性质决定了扩散影响的区域和程度。
• 考虑固定质量Qm的物质瞬时泄漏到无限膨胀扩张的空气中，坐标 系固定在释放源处。假设不发生反应，或不存在分子扩散，释放所 导致的物质的浓度C可由式(5-1)。
（5-1 ）
5.2 中性浮力扩散模型
• 考虑到湍流的影响，用平均值和随机量来代替速度；
5.2 中性浮力扩散模型
c
c
t xj
ujc
沿烟羽中心线
yz0
C
x,0,0
Qm
4K*x
（5-27）
5.2 中性浮力扩散模型：处理
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
CASE-5：无风时的烟团, 湍流扩散系数是各向异性
●烟团释放， Qm*const ●无风： u j 0 ●湍流扩散系数不同 Kx,Ky,Kz
●边界条件： r r,c0;
c
t xj