气体扩散浓度计算模型介绍

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
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
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、…..
....... 连续
Cm C0
＝f i

x

Vi0
1 3
，g
0’Vi0
1 3
u2
...................瞬 . 时
Cm，C0－分别为气云横截面上的平均浓度、初始浓度，kg·m-3； Vc0－为连续烟流释放的初始气云体积流量，m3·s-1； 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·s-1；
气体泄漏扩散研究方法
试验法
风洞实验法
试验法
模型法
试验数据
问题特点
比例
验证
模型
特征提取与模化
风洞实验
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
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。
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。
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
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。
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。
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。
箱模型实例（by Van Ulden，1970）
1
Uf

dR dt

k

g
(



a
r
)
H

2
ρr，ρa－为气云的“参考”密度和空气密度，kg·m-3； 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。
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。
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
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。
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


Cm C0
＝f
cLeabharlann Baidu
（
x
Vc 0 u
，g
0’Vc
0
1 2
1
2
）2
u5
..........