[发明专利]一种模拟重气在市内街道有风扩散的方法

说明书

技术领域

本发明涉及重气扩散模拟，特别是涉及复杂市内街区内有风状态下的重气扩散研究。

背景技术

城市的空气质量与人的生活密切相关，人们的生产和生活过程排放的污染物是造成城市大气污染的主要因素。特别是在市内街道由于运输或输送等原因造成的泄露，短时间内得不到有效的控制，加之城市垫面干、热、粗等特征，其复杂性导致城市的风环境及污染物扩散变得非常复杂。探讨复杂街区布局在风作用下的污染物扩散的机理和规律，对改善人们的生活环境有重要意义。

对于气体扩散的研究国内已有很多，但是这些研究主要是应用扩散范围规则且连续的模型进行的，无法应用到重气在近地面市内街区这种不规则非连续的拓扑结构中的进行扩散模拟，并且也少见考虑风在街区内流动对重气扩散的影响。

针对上述问题，考虑将连续性的扩散云，分离成气团。提出了使用细胞自动机(AC)生成气团的运动模型。在生成运动模型的过程中，考虑了气团运动的一些特性与粒子运动特性的相近性，并同时借鉴了高斯模型的相关参数和概念。考虑风的作用，对模型进行了改进。假设了模拟街区，模拟了在稳定风场条件下氨气扩散过过程；模拟了扩散过程中不同时刻来风对扩散分布的影响，其结果与实际扩散结果比较相近。

发明内容

利用细胞自动机模拟气团的扩散，主要的气团运动驱动力为气团的浓度梯度，即气团的运动向着浓度梯度减最快的方向运动。在浓度较高的区域，浓度梯度对扩散的方向和速度影响很大；当浓度下降到一定值后，扩散即为自由扩散。

对气团的扩散过程中的特征，使用Qi(Vi0，xi，yi)表示，其中Qi表示第i个气团，Vi0表示第i个气团的运动速度m/s；xi和yi表示相对于扩散中心的气团的位置，单位m。

1 确定影响半径D

为区分浓度梯度作用下的扩散和自由扩散，要首先确定影响半径D。当两个气团的距离大于D时，认为气团间相互不作用，即两个气团之间显现自由扩散Sf；当两个气团的距离小于D时，认为气团间存在相互作用，即两个气团之间显现浓度梯度扩散Sd；模型如图18所示公式。

式中Si~j表示两个气团的相对运动状态。

D的确定可以根据高斯模型，假设某一浓度下气体之间不存在相互作用，解算高斯模型中的距离参数确定，即求解横风向距离y，如图19所示公式。

2 气团自动机模型

基于自动机的气团扩散模型的实质问题是确定每个气团在其他气团的影响下的运动方向和速率，如图20所示公式。

式中：Vi0、xi0、yi0表示第i个气团的上一个时刻的状态，Vi1、xi1、yi1表示这一时刻的状态。

当气团处于Sf时，其运动方向和速率基本取决于其上一时刻的运动方向和速率，并附加一定的随机变化，可以参考高斯模型中侧风向扩散系数δy，其表示在无风影响下的气体扩散特征，如图21所示公式。

式中，f(δy)表示气团运动速度变化量ΔV是侧风向扩散系数δy的函数，ε表示扩散速度的随机性，ΔVx和ΔVy分别表示ΔV在x和y方向的分量，单位m/s，Δt表示上一时刻与本时刻的时间差。

当气团处于Sd时，其运动方向和速率取决于其上一时刻的运动方向和速率，与本时刻周围其他气团对其作用的叠加，如图22所示公式。

3 气团运动速度变化量的改变量的确定

确定在影响半径D内的其他气团对第i个气团的影响。主要是判断ΔV的改变量，即考虑浓度梯度的情况下，ΔV方向的改变和大的改变。由于假设气团的每个气体质量相同且内部均匀，所以主要考虑其他气团的上一时刻的速度和第i个气团与其他在D范围内的气团的距离d。方向的改变通过距离d确定，基于气团的运动的改变为浓度梯度最大方向，d越相互影响越强烈的原则，方向该变量的确定过程如图1所示。

如图1所示，在以气团O为中心的半径为D的范围内，有5个气团A,B,C,D,O。现确定O在该时刻内速度的改变方向。根据d越相互影响越强烈的原则，取A、B、C、D相应的d的倒数，作为衡量作用大的无量纲标准。在A、B、C、D相应的d的指向O的延长线上按比例作A、B、C、D相应的d的倒数，作为方向的矢量SA、SB、SC、SD，并求矢量和F=SA*SB*SC*SD。综上可得矢量合成后的速度改变量的方向F=S1*S2*…Sn，n为以气团O为中心的半径为D的范围内的气团的个数减1。