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气体扩散浓度计算模型介绍华东理工大学沈艳涛

第一部分扩散过程与模型分类介绍

相关背景——污染性泄露n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

可能造成的伤害n1、SO,NO,光气：口腔，呼吸道与肺部病x变，皮肤病…Xn2、液NH,液Cl等在管道破口喷射引起冻伤32及化学毒性与环境危害n3、爆炸性气体的爆炸性危害n4、…..

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n不同性质气体在不同条件下表现出不同的特征n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。

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

气体泄漏扩散研究方法n试验法n风洞实验法n模型法试验法试验数据问题特点比例风洞实验验证特征提取与模化模型

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:n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–

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。nnBritterandMcQuaid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BM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。

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。nn德国的VDI模型也采用了与BM模型类似的处理方法。

BM模型表达式QC，C－分别为气云横截面上的平均浓度、初始浓度，kg·m-3；m0QV－为连续烟流释放的初始气云体积流量，m·s-1；3c0QV－为瞬时烟团释放的初始气云体积，m；3i0Qu－为10m高处的风速，m·s-1；Qg’－为初始的折算重力项，g’＝g(ρ-ρ)/ρa，ρ，ρ分0别为初始气云密度和外界空气密度；00a0aQf,f－普遍化无因次函数。ci

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。n

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。

箱模型实例（byVanUlden，1970）n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VanUlden（1970年）提出将重气烟团当作一个初始体积为V，初始高度为H，00初始半径为R的圆柱形，高度和半径随时间变化，0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。

箱模型实例（byVanUlden，1970）Qρ，ρ－为气云的“参考”密度和空气密度，kg·m-3；raQK－为常数。

箱模型对重气研究基本假定n对于重气连续泄漏形