1、*歐陽光明*創編2022.03.071 云團集中模型依據物質泄漏后所形成的氣云的物理性質的不同，可以將描述氣云集中的模型分為非重氣云模型和重氣云模型兩種5-13。1.1 非重氣云模型高斯模型是一種常用的非重氣集中模型，高斯煙羽(plume model)模型又稱高架點連續點源集中模型，適用于連續源的集中，即連續源或泄放時間大于或等于集中時間的集中。高斯煙團(puff model)模型適用于短時間泄漏的集中，即泄放時間相對于集中時間比較短的情形，如突發性泄放等。若假設氣體云內空間上的分布為高斯分布，則地面地處風向的煙團濃度分布算式為式中，c(x，y，h)點(x，y，h)處濃度值，mg/m3； q源

2、強，即單位時問的排放量，mg/s； u環境平均風速，m/s； ， ， 集中參數；xyzh源高(煙團高度)，m； x下方向到泄漏原點的距離，m； y，z側風方向、垂直向上方向離泄漏原點的距離，m。高斯模式的實際應用效果很大程度上依靠于如何給定模式中的一些參數，尤其要留意源強、集中參數等的確定。源強與污染物的物理化學屬性、集中方式、釋放點的地理環境等有關。集中參數表征大氣邊界層 內湍流集中的強弱，是高斯模式的一項重要數據。高斯集中模式所描述的集中過程(實質上也包含了在實際 應用中對高斯模式的一些限制)主要有：*歐陽光明*創編2022.03.071) 下墊面平坦、開闊、性質均勻，平均流場穩定，不考慮

3、風場的切變。2) 集中過程中，污染物本身是被動、保守的，即污染物和空氣無相對運動，且集中過程中污染物無損失、無轉化，污染物在地面被反射。3) 集中在同一溫度層結中發生，平均風速大于1.0 m/s。4) 適用范圍一般小于 1020 km。1.2 重氣云模型由于重氣本身的特別性，在重氣集中領域也有大量基于不同理論的模型。鑒于重氣集中與中性或浮性氣體集中有著明顯的區分，目前國內外已開發大量的不同簡單程度的重氣集中模型，如箱模型、相像 模型、ltahgdm 模型、cfd 模型等。1.2.1 箱(box)模型箱模型是指假定濃度、溫度和其他場，在任何下風橫截面處為矩形分布等簡潔外形，這里的矩形分布是指在某

4、些空間范圍內場是均勻的，而在其他地方為零。該類模型預報氣云的總體特征，如平均半 徑、平均高度和平均氣云溫度，而不考慮其在空間上的細節特征。重氣效應消逝后其行為表現為被動氣體 集中，所以該類模型還包括被動集中的高斯模型及對它的修正。1.2.2 層流及湍流大氣環境中的重氣集中(ltahgdm)模型ltahgdm 模型(heavy gas dispersion model in lsaminar and turbulent atmosphere層流及湍流大氣環境中的重氣集中模型)以箱模型為基礎，結合虛點源模型，能描述重氣泄漏集中整個過程。模型同三維有限元模型相比，具有形式簡潔、原始輸入數據運算速度快

5、等優點。ltahgdm 模型的建立基于以下幾點假設：1) 危急性氣體初時泄漏時，其外形呈正圓柱形(h=2r)。2) 初始時刻泄漏源即此核電站內部的濃度、溫度呈均勻分布。3) 集中過程不考慮泄漏源即此核電站內部溫度的變化，忽視熱傳遞、熱對流及熱輻射。4) 泄漏氣體認為是抱負氣體，遵守抱負氣體狀態方程。5) 在水平方向上，大氣集中系數呈各向同性。6) 整個集中過程中風速的大小、方向保持不變。7) 地面對泄漏氣體不吸取。8) 整個過程中不發生任何化學反應等。放射性氣體的集中受其自身重力沉降引起的湍流及四周大氣的湍流的雙重影響。隨著集中的進行，放射性氣體的濃度被稀釋，重氣效應漸漸消逝，大氣湍流漸漸成為

6、把握此放射性氣體集中的主要因素。假設此放射性氣體排出時的半徑為r，高度為h。認為放射性氣體排出的靜壓頭等于空氣的動力拖拽，則其徑向尺寸變化率為在式(2)等溫流淌或式(3)集中氣體與空氣具有相同的摩爾比熱及地面加熱可以忽視的非等溫流淌狀況下，b 可認為是一常數，其值等于b0。重氣云團的頂部空氣卷吸和側面空氣卷吸對于云團的稀釋是格外重要的。在垂直方向，由于云團頂部的空氣卷吸和重力沉降的作用，使云團在垂直方向上的濃度分布呈現出從頂部到底部漸漸變大的高斯分布；在水平方向，由于側面空氣卷吸的作用，云團邊緣也會形成高斯狀濃度分布區，但由于重力沉降 的緣由，云團半徑漸漸變大，側面空氣卷吸作用不會很快影響到云

7、團內部，因此，可以假設在半徑為rc 的區域內，濃度均勻分布。云團內部的濃度可表示為隨著重氣效應的消逝，大氣湍流漸漸把握云團的集中，rc 漸漸變小，最終為零。此時整個云團內部成高斯分布，可依據高斯煙團模型進行相關計算。推斷重氣云團向非重氣云團轉變的可以利用尉準則，當r 小于臨界richardsion 數時，重氣云團i已經轉變為非重氣云團。文中ric 取為 0.1。由于是在大氣湍流環境下的集中，因此，集中系數來自于重氣沉降引起的湍流集中和環境湍流集中兩方面：一般認為云團高度就是箱模型中所假設的圓柱形的高度，即：關于ra 的計算，c.s.matthias 通過理論及試驗分析，給出了如下的計算公式：式

8、中，r 云團核心半徑，m；ch云團高度，m； v云團體積，m3； 云團初始密度，kg/m3；0v 云團初始體積，m3；0h 云團初始高度，m；0t云團集中時間，s； l云團特征尺寸，m； 重力沉降引起的徑向集中系數，m；rg 重力沉降引起的垂直集中系數，m；zga 云團重力沉降系數；1ric臨界richardsion 數；ririchardsion 數； r云團半徑，m； g重力加速度，m/s2； 空氣密度，kg/m3；a云團內部密度，kg/m3；r 云團初始半徑，m；0d 云團初始直徑，m；0 云團與四周空氣初始密度差；0云團集中特征時間，s； r，z推測點圓柱坐標，m； 大氣湍流引起的徑向

9、集中系數，m；ra 大氣湍流引起的垂直集中系數，m；zaa ，c ，c 閱歷常數；212ri 特征richardsion 數；lu環境風速，m/s。2 系統設計及功能總體設計的任務是依據目標系統的物理模型確定一個合理的軟件系統的體系結構。該易燃易爆毒性氣體集中模擬系統分為高斯模型模塊、box 模型模塊、ltahgdm 模型模塊，其中：1) 高斯模型模塊由集中濃度隨距離變化的模擬、帶有最小平安距離和集中濃度值的模擬、固定距離濃度值計算模塊組成。2) box 模型模塊、ltahgdm 模型集中半徑隨時間變化的模擬、集中濃度隨時間變化模擬、集中濃度隨距離變化模擬、固定距離濃度值計算模塊組成。具體系統

10、的功能結構如圖 1 所示。圖 1 集中模擬系統功能結構系統主功能界面及高斯模型、ltahgdm 模型模擬界面如圖 2、圖 3、圖 4 所示。圖 2 系統主界面圖 3 高斯模型模擬界面圖 4 ltahgdm 模型模擬界面3 軟件應用3.1 高斯模型的應用3.1.1 初始條件以氯氣為例，假設某化工廠室外有一儲罐，罐內壓力為0.9 mpa，溫度為 15，分子量為 0.03545 kg/mol，絕熱指數 1.310，假設由于罐體裂開發生連續型泄漏，泄漏口面積為0.02 m2，在一個陰天的夜晚儲罐發生泄漏，有效泄漏高度為 6 m，依據當地氣象條件，風速為 2.1 m/s。3.1.2 假設條件設風速方向為

11、x 軸方向，泄漏源中心地面投影為坐標點，假定流場穩定，則集中符合煙羽模型。假設該大氣穩定度為d，泄漏源強為 5.341 kg/s。3.1.3 模擬計算1) 在圖 3 中的相應的文本框中輸入對應的參數，如物質選擇為氯氣，泄漏源強為5.341 kg/s，平均風速為 2.1 m/s，有效泄漏高度為 6 m，選擇大氣穩定度為d，點擊不同的按鈕，就可得到相應的模擬結果，如在固定高度輸入 1.5 m，點擊“下風向固定高度不同距離集中濃度值”按鈕，其結果如圖5 所示，曲線表示下風向 1.5 m 高處不同距離的集中濃度。圖 5 下風向 1.5 m 高處的集中濃度曲線2) 保持以上參數，點擊“查看最高允許濃度并

12、顯示最小平安距離”按鈕，即可顯示所評價物質的 最高允許濃度，如氯氣的最大允許濃度1 mg/m3，并依據此濃度模擬出平安疏散所需要的最小平安距離，如圖 6 所示。圖 6 人群疏散的最小平安距離3) 保持以上參數，輸入相應的下風向距離，即可計算固定高度在該距離下的具體濃度。如輸入下風向距離 125 m，點擊“確定”按鈕，即可得出該距離下的濃度值0.0021 kg/m3，如圖 7 所示。圖 7 125m 處的濃度值3.2 ltahgdm 模型的應用3.2.1 初始條件以大連市某韓資企業內的液化氣瓶組站發生泄漏為例，該瓶組站內共有50 kg 液化自然氣鋼瓶 8 臺，選取其最危急狀態即液化氣鋼瓶裂開導致

13、瓶組站內的全部液化氣全部瞬時泄漏，相關氣象資料依據該 公司供應的資料查得。由于lng 主要成分甲烷的質量分數在 90%以上，自然氣泄漏后很難計算混合物的相關狀態，因此，將lng 看作甲烷計算。3.2.2 模擬計算1) 在圖 4 的相應的文本框中輸入對應的參數，如初始半徑為4 m，初始高度為 8 m，云團初始濃度為 100 mg/m3，氣云密度為 3 kg/m3，空氣密度為 1.29 kg/m3，云團重力沉降系數為 0.7，點擊“查看集中半徑隨時間變化圖”按鈕，即得出云團集中半徑隨時間變化的模擬曲線，如圖8 所示。圖 8 集中半徑隨時間變化的模擬2) 保持以上參數，在下風向距離文本框中輸入數值，

14、如15 m，點擊“查看集中濃度時間變化圖” 按鈕，即可得出相同距離 15 m 下，不同集中時間上的濃度集中模擬圖，如圖9 所示。圖 9 不同時間上的濃度集中模擬圖3) 保持以上參數，在云團集中時間文本框中輸入數值，如2 s，點擊“查看集中濃度隨時間變化圖”按鈕，即可得出在相同集中時間2 s 下，不同下風向的濃度集中模擬圖，如圖10 所示。4) 保持以上參數，在下風向距離文本框中輸入數值，如25 m，點擊“計算”按鈕即可得出 25 m 處的濃度值為 1.0479 mg/m3，如圖 11 所示。圖 10 不同距離的濃度散模擬圖圖 11 25m 處對應的濃度值4 結論1) 運用非重氣集中模型中的高斯

15、模型和重氣集中模型中的box 模型、ltahgdm 模型進行軟件開發，得出了相關物理量變化曲線。2) 系統實現了非重氣云團集中模型中的高斯模型模塊，該模塊以氯氣工廠儲灌泄漏集中為例，完成了固定高度下不同距離上的集中濃度值曲線的模擬和不同物質最小平安距離曲線的模擬，同時求出了下 風向 125 m 處的濃度 0.0021 kg/m3。3) 系統實現了重氣云團集中模型中的ltahgdm 模型模塊，該模塊以大連市某韓資企業內的液化氣瓶組站發生泄漏為例，完成了集中半徑隨時問變化曲線的模擬、固定時間集中濃度隨距離變化曲線的模 擬以及對固定距離集中濃度隨時問變化曲線的模擬，同時計算出固定集中時間下風向25

16、m 處的濃度 1.0479 mg/m3。4) 使用的語言工具是java 語言，傳統的軟件往往與具體的實現環境(操作系統，如 linux，win- dows)有關，一旦環境有所變化就需要對軟件進行一番改動，耗時耗力，而java 編寫的軟件能在執行碼上兼容。這樣，只要計算機供應了java 解釋器，java 編寫的軟件就能在其上運行。參考文獻1劉詩飛，詹予忠. 重大危急源辨識及危害后果分析m. 北京：化學工業出版社，2004 2吳宗之，高進東. 危急評價方法與應用m. 北京：冶金工業出版社，20013 柳靜獻，常德強，林秀麗等. 作業場所職業危害監管信息治理系統開發j. 中國平安科學學報，2008，

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