[发明专利]一种模拟重气在市内街道扩散的方法

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无风状态下的重气扩散研究。

背景技术

众所周知，气体泄露的风险状况的考虑有几方面：气体的密度、泄露的地点、该地点周围环境和大气条件等。对于气体的密度，如果小于空气，那么泄漏后大部分气体将升入高空，进而减少对地面影响；如果大于空气，那么重气将排开空气，被排开的空气局部被压缩，导致重气扩散更加缓慢，给地面影响较大。对于泄露的地点的考虑，显然是人口密集的市区更加危险。泄露点周围环境如果相对密闭，则不利于重气扩散。若果比较空旷，则有利于扩散。这样考虑市内建筑物之间的街区更为危险。对于大气条件，风力、温度和湿度等都会影响气体的扩散。如果周围大气条件比较稳定，那么重气就不易扩散。综上所述，可以看出，在市内街区泄露重气且大气环境稳定的条件下，对近地面危害最大。

笔者也长期对多储罐泄露扩散及连锁条件下爆炸进行研究。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。

针对上述问题，考虑将连续性的扩散云，分离成气团，气团通过重叠或融合表示扩散云。提出了使用细胞自动机(Cellular automata，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。假设了模拟街区，在大气稳定的条件下进行氨气近地扩散模拟，其结果与实际扩散结果比较相近，但是该模型也存在着只能模拟近地氨气扩散的缺点。

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。该模型只考虑使用CA气团代替传统的气体扩散模拟方法，对于气体的长期扩散特征和可能在环境中发生的反应情况没有考虑。

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，单位m/s；xi,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14中公式所示。

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15中公式所示。

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16中公式所示。

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17中公式所示。

式中， f(δy)表示气团运动速度的变化量是侧风向扩散系数δy的函数，ε表示扩散速度的随机性，x,y是两个相互垂直的方向。

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18中公式所示。

3气团运动速度变量的改变量的确定

确定在影响半径D内的其他气团对第i个气团的影响。考虑浓度梯度的情况下，气团运动速度变量方向的改变和大小的改变。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。方向的改变通过距离确定，基于气团的运动的改变为浓度梯度最大方向，d越近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。