一种模拟重气在市内街道扩散的方法
【专利摘要】本发明公开了一种模拟重气在市内街道扩散的方法，其特征在于，构造了基于细胞自动机(Cellularautomata)-气团模型，用以进行上述情况模拟，将气体的宏观扩散等效视为多个气团，使用细胞自动机生成气团的运动模型；将气团的特征表示为Qi(Vi0,xi,yi)，参考高斯模型确定影响半径D用以区分浓度梯度扩散Sd和自由扩散Sf，并构造了边界接触条件，假设了模拟的市内环境，使用该模型在大气稳定状态下模拟氨气扩散；其包括如下步骤：确定影响半径D，气团自动机模型，气团运动速度变化量的改变量的确定，边界接触条件，设定模型建立参数，进行模拟；本发明可用于市内街道布局复杂情况下无风作用的气体扩散分布模拟。
【专利说明】一种模拟重气在市内街道扩散的方法【技术领域】[0001]本发勒费及重气扩散樽拟,録;g/是族及复杂市内街区内无风状态下的重气扩散研究。【背景技术】[0002]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。[0003]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。[0004]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】
[0005]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。[0006]对气团的扩散过程中的特征，使用Qi(ViO，xi，yi)表示，其中Qi表示第i个气团， ViO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 m0[0007]I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。[0008]式中srj表示两个气团的相对运动状态。[0009]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。[0010]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。[0011]式中:Vi0、xi0、yi0表示第i个气团的上一个时刻的状态,Vil、xil、yil表示这一时刻的状态。[0012]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S y，其表示在无风影响下的气体扩散特征，如图17中公式所示。[0013]式中，f(Sy)表示气团运动速度的变化量是侧风向扩散系数Sy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。[0014]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。[0015]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。[0016]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距离O 的距离d的倒数作为衡量作用大的无量纲标准。在A、B、C、D距离O的距离d的指向O的延长线上按比例作A、B、C、D距离O的距离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，/?为以气团O为中心的半径为D的范围内的气团的个数减I。[0017]气团运动速度变化量大的改变目前通过统计确定，即借鉴扩散系数δ y, r为扩散调整系数，这样图18中所示公式可为图19中所示公式。[0018]4边界接触条件当气团遇到障碍物时会触发边界条件。当气团遇到障碍物时，由于障碍物表面对气团运动有粘滞作用，所以气团的运动速度会受到影响，应进行折减，λ为接触速度折减系数， λ >1，可参考管线内层流流体的抛物型速度分布曲线；运动方向变为180°减F与障碍物表面交角，如图20中公式所示。【专利附图】
【附图说明】 [0019]图1方向改变量的确定过程。[0020]图2市内街区设置。[0021]图3模拟扩散过程，扩散次数=1。[0022]图4模拟扩散过程，扩散次数=200。[0023]图5模拟扩散过程，扩散次数=400。[0024]图6模拟扩散过程，扩散次数=600。[0025]图7模拟扩散过程，扩散次数=800。[0026]图8模拟扩散过程，扩散次数=1000。[0027]图9模拟扩散过程，扩散次数=1200。[0028]图10模拟扩散过程，扩散次数=1400。[0029]图11模拟扩散过程，扩散次数=1600。[0030]图12模拟扩散过程，扩散次数=1800。[0031]图13模拟扩散过程，扩散次数=2000。[0032]图14关于影响半径D的气团间作用判据。[0033]图15确定影响半径D的模型公式。[0034]图16基于自动机的气团扩散模型公式。[0035]图17当气团处于Sf时的气团扩散状态模型公式。[0036]图18当气团处于Sd时的气团扩散状态模型公式。[0037]图19确定气团运动速度变化量的改变量的模型公式。[0038]图20边界接触条件的模型公式。【具体实施方式】[0039]模型外轮廓线为IlOX 110m，为无反射开放边界。泄漏源在区域中心(0，O)处，假设场景为运输液态氨的槽车泄露。周围有11个长方体虚拟了建筑物。其具体尺寸如图2 所示。重气扩散后设重气的扩散高度于建筑物高度。扩散气团从泄露点向四周扩散，气团的泄露速度为每计算步10个，一共进行2000计算步。[0040]参数的具体选择,泄漏点的泄露速度为5kg/s,如气团每个容量为Ikg,即相当于每个计算步的时间为2s。泄漏点的喷出距离为lm，后液氨全部气化为重气，开始扩散，假设泄露持续稳定。假设大气状态稳定，《=0.lm/s，不考虑风压对浓度梯度的影响。同时假设扩散为近地扩散，扩散高度不超过建筑物高度。汝=0.5m，扩散系数根据大气稳定度、日照强度和地面粗糙情况确定δ y，δ z, z=2m,认为CM).lkg/m3时浓度梯度的作用对气团运动速度的变化量的影响可以忽略，得到D=8.48m。ε的随机扩散范围是0.lm，360°。^取1.5，入取1.2。对图2的假设建筑物场景进行重气扩散模拟。[0041]模拟过程如图3~图13所示。[0042]如图:T图13所示，扩散次数=1时，气团为10个，扩散一次，距离扩散点相当近。[0043]扩散次数=200时，气团为2000个，范`围相当集中。在四周有3个建筑物，部分气团被建筑物阻碍，在下方与右方气团被挤压形成高浓度区，从而使这个区域的气团加速扩散，符合浓度梯度扩散Sd。上方和左方基本没有收到阻碍，扩散比较平均，符合重气的一般扩散规律，即自由扩散Si.。[0044]扩散次数=400时，气团为4000个。气团的个数增加和扩散时间的增加，在三个方向气团冲破了建筑物的阻碍，扩散出去。这时阻碍处的浓度较大，为Sd;而进入大空间后气团又按照一般扩散规律进行移动，为Sf。这样气体绕过建筑物进行扩散的现象出现了，这符合气体的实际扩散情况，为Sf。[0045]扩散次数=600时，气团为6000个。这时下方和右方的绕射扩散很明显了，这是由 于前方建筑物的阻挡造成的。气团在下方和右方没有冲破下一道建筑物的阻碍。左方气团 扩散在十字路口的其他三个方向扩散比较均匀，三个方向又将进入建筑物的阻碍状态，为Sfo[0046]扩散次数=800时，气团为8000个。左方已冲破建筑物的阻碍向外扩散，为Sf ;十 字路口的上下两个方向与上图比较变化不大，这是因为左面建筑物的阻碍区短，气团相同 浓度时左面最先冲破，上下两口的建筑物较长阻碍区长，所以气团阻力大进入比较慢。气团 在下方和右方仍然没有冲破下一道建筑物的阻碍，因为前方建筑垂直于速度，造成速度衰 减多大。[0047]扩散次数=1000时，气团为10000个。四周气团开始进入外围建筑物挤压区。左 方十字路口上方扩散程度还是较小的。还是由于左方气团容易突破建筑物的关系。[0048]扩散次数=1200时，气团为12000个。四周气团进入外围建筑物挤压区还是很少 的，特别是左方十字路口上下方的扩散速度仍很慢，因为十字路口处气团的浓度还没有达 到某个程度。[0049]扩散次数=1400时，气团为14000个。四周气团进入外围建筑物挤压区，并有极少 量冲破了外围建筑物。左方十字路口气团浓度已经达到了某个值。[0050]上述三种的模拟的中心区域基本上属于浓度梯度扩散Sd，模拟区域外围为自由扩 散 Si.。[0051]扩散次数=1600，1800,2000时。基本保持了 1400时的气团在外围建筑物之间的 分布规律，只是建筑物之间的气团浓度逐渐变大。气团在外围建筑物外侧开始有少量出现， 这是气团绕射的第二次出现。可以看出，最左方的建筑物出口的周围的气团浓度明显高于 其他出口，这是由于这个出口直接通向扩散点，阻碍少，压力区短，气团冲出后的扩散时间 比较长。模型区最外围的边界为无反射开放边界，气团会继续向外扩散。当继续进行扩散 模拟时，整个模拟区域的气团的浓度和分布就会达到一个稳定图，这是后续模拟就不变了， 模拟停止。这个阶段模拟区域的浓度分布趋于稳定，即Sd和Sf的区域变化很小(Sd和Sf 的交界线保持不变)，可见这是扩散达到平衡稳定的条件。[0052]使用该模型进行模拟得到的扩散是非连续的，不规则的，与阻碍其扩散的建筑物 的附着性较好。该模型的扩散过程与实际重气在市内街区这种多阻碍条件下的扩散过程即 为相似。并且表现出一些传统模型所不具备的特征，如气体绕过建筑物扩散的现象，扩散方 向为浓度梯度下降最大方向的现象，扩散遇建筑物阻碍而扩散速度降低的现象等。这些都 是该模型的独有特点，说明了该模型相对现有模型的优越性。
【权利要求】
1.一种模拟重气在市内街道扩散的方法，其锣jg左构造了基于细胞自动机 (Cellular automata)-气团模型，用以进行上述情况模拟，将气体的宏观扩散等效视为多个气团，使用细胞自动机生成气团的运动模型；将气团的特征表示为QUViO，xi, yi)，参考高斯模型确定影响半径D用以区分浓度梯度扩散Sd和自由扩散Sf，并构造了边界接触条件，假设了模拟的市内环境，使用该模型在大气稳定状态下模拟氨气扩散；其包蕾勿70步 I确定影响半径D，气团自动机模型，气团运动速度变化量的改变量的确定，边界接触条件，设定模型建立参数，进行模拟；灰发够市内街道布局复杂情况下无风作用的气体扩散分布模拟。
2.根据权利要求1所述的运动模型，其特征在于，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。
3.根据权利要求2所述的气团的扩散，其特征在于，对气团的扩散过程中的特征，使用 Qi (ViO, xi, yi)表示,其中Qi表示第i个气团，ViO表示第i个气团的运动速度，单位m/ s ；xi和yi表示相对于扩散中心的气团的位置,单位m。
4.根据权利要求1所述的确定影响半径D，其特征在于，％1分浓鹿像良作像飞热1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所示模型；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所示模型。
5.根据权利要求1所述的气团自动机模型，其特征在于，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模型；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S y，其表示在无风影响下的气体扩散特征，如图17所示模型；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所示模型。
6.根据权利要求1所述的气团运动速度变化暈的改变暈的确定，其特征在于，确定在影响半径D内的其他气团对第i个气团的影响，主要是判断气团运动速度变化量的改变量， 即考虑浓度梯度的情况下，气团运动速度变化量方向的改变和大小的改变。
7.根据权利要求1所述的气团运动速度变化暈的改变暈的确定，其特征在于，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。
8.根据权利要求6所述的气团运动速度变化暈的方向的改变，其特征在于，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越近相互影响越强烈的原则，在以气团O为中心的半径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相对应的d的倒数，作为衡量作用大的无量纲标准，在A、B、C、D相对应的d的指向O的延长线上按比例作A、B、C、D相对应的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，/?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，气团运动速度变化量大小的改变借鉴扩散系数S y，模型为图19所示的模型。
9.根据权利要求1所述的边界接触条件,其特征在于,色气m满嫩放会界条件，当气团遇到障碍物时，由于障碍物表面对气团运动有粘滞作用，所以气团的运动速度会受到影响，应进行折减，λ为接触速度折减系数，λ>1，可参考管线内层流流体的抛物型速度分布曲线；运动方向变为180°减F与障碍物表面交角，模型为图20所示的模型。
【文档编号】G01N13/00GK103499518SQ201310491054
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月20日 优先权日:2013年10月20日
【发明者】赵东洋, 赫飞, 崔铁军, 吴迪 申请人:辽宁工程技术大学