一种用于气体泄露扩散的三维模拟方法及应急疏散方法
【专利摘要】本发明公开一种用于气体泄露扩散的三维模拟方法及应急疏散方法，该三维模拟方法包括获取泄漏源的位置信息，根据所述泄漏源的位置，获取周边测量的气象实时数据和泄漏源强数据，将该气象实时数据与风场数据库中风场查询数据进行比对查询，从风场数据库中获取该泄漏源的风场数据，将上述风场数据以及泄漏源强数据带入气体扩散公式，计算获得气体扩散场数据。上述三维模拟方法通过建立风场数据库，利用该风场数据库快速查询获得泄漏源周围的风场数据，该风场数据的获得过程快速高效，删减了以往需要进行风场计算的步骤，可以最快时间获得三维模拟场数据，适用于新形势下化工园区、厂矿企业对应急系统的要求。
【专利说明】一种用于气体泄露扩散的三维模拟方法及应急疏散方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及气体扩散模式领域，具体涉及一种用于气体泄露扩散的三维模拟方 法，本发明还涉及针对气体泄露的应急疏散方法。
【背景技术】
[0002] 目前有毒气体的扩散应急模式都使用一般的烟羽扩散模式，所述经验模型是采用 数学公式近似模拟结果的方式，这种方法特点是快，缺点是对地表复杂的情况误差很大，因 为这种模式采用数学的方法对实验过的类似现象进行拟合，而现实中存在千差万别的实际 情况，所以造成差较大，极大的影响到应急扩散模拟在应急体系中的发挥。例如在风向突然 改变的情况下，气体如何扩散，地面具有大量的高层建筑，风流场不稳定，如果确定气体扩 散的范围等等，所述烟羽扩散模式均不能解决。
[0003] 现阶段，采用较多的是三维模拟技术，该技术能模拟较复杂情况。具体地，所述三 维模拟技术包括三维有限单元计算数值模拟、三维风洞实验模拟和其它材料的工程实验模 拟技术。该技术是实现科学规划、应急体系优化设计、油田油气安全开发、危险化学品安全 生产、毒气泄漏事故预警等任务中的一种有效的技术手段。该技术已成功应用于油气田勘 探设计，矿山、隧道、水利工程优化布局、化工和防治等多个领域，具有显著的社会和经济效 益。但是普通三维模拟技术需要的计算时间长，在应急情况下，需要快速得出计算结果，所 以该三维模拟技术又不能适应应急的需求。
[0004] 现亟需一种新型技术来解决上述问题。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种用于气体泄露扩散的三维模拟方法，以解决现有三维模拟系统存 在的上述问题。
[0006] 本发明提供一种用于气体泄露扩散的三维模拟方法，包括：获取泄漏源的位置信 息；根据所述泄漏源的位置，检测该位置及周围的气象实时数据和泄漏源源强数据；将检 测到的气象实时数据与风场数据库中风场查询数据进行比对查询，从风场数据库中获取该 泄漏源的风场数据；将上述风场数据及泄漏源源强数据带入气体扩散公式，计算获得气体 扩散场数据。
[0007] 优选地，所述气象实时数据包括风向实时数据和风速实时值；所述泄漏源源强数 据包括泄漏源泄漏量、泄漏气体组份。
[0008] 可选地，所述风场数据库中风场查询数据包括风速查询数据和风向查询数据。 [0009] 所述风速查询数据是按照数值大小排列的一组数据；所述风向查询数据是按照方 向角度值的大小排列的一组数据；所述从风场数据库中获取该泄漏源的风场数据，具体是， 风场数据库中一个风速查询数据和一个风向查询数据共同对应一个风场数据，该数据为泄 漏源的风场。
[0010] 优选地，所述气象实时数据为风速实时值，所述将检测到的气象实时数据与风场 数据库中风场查询数据进行比对查询，采用以下方式：
[0011] 获取风速实时值，判断风场数据库中是否有与该风速实时值相同的风速值，若判 断结果为是，则直接取相对应的风场数据。
[0012] 若判断结果为否，则先确定接近的两个风速值，再将该接近的两个风速值进行插 分运算得出风场数据。
[0013] 优选地，所述现场气象数据为现场风向数据，所述将检测到的气象实时数据与风 场数据库中风场查询数据进行比对查询，采用以下方式：
[0014] 获取风向实时数据，判断风场数据库中是否有与该风向实时数据相同的风向数 据，若判断结果为是，则直接取相对应的风场数据。
[0015] 若判断结果为否，则找出接近的两个风向数据，将接近的两个风场数据进行矢量 插分运算得出需要的风场数据。
[0016] 优选地，所述风场数据是根据风速查询数据、风向查询数据得出的事先通过计算 流体力学计算得出风场数据组。
[0017] 优选地，所述气体扩散公式是以基本守恒方程为基础，利用计算流体力学、传质学 与传热学的原则确定的一个计算公式。
[0018] 可选地，所述气体扩散场数据包括随时间变化的浓度场数据以及相应的安全区 域、疏散区域、可用疏散时间。
[0019] 可选地，所述气象实时数据采用风向风速仪检测。
[0020] 可选地，所述风向风速仪设置在泄漏源的位置处和/或与泄漏源周围的特定检 测位置处。
[0021] 本发明提提供一种针对气体泄露的应急疏散方法，包括：计算获得泄漏气体的扩 散场数据；根据所述扩散场数据确定疏散距离、疏散方向和可用疏散时间。其中，所述扩散 场数据是采用所述的用于气体泄露扩散的三维模拟方法得出。
[0022] 与现有技术相比，本发明其中一方面具有以下优点：本发明公开一种用于气体泄 露扩散的三维模拟方法，该方法包括获取泄漏源的位置信息，根据所述泄漏源的位置，获取 周边测量的气象实时数据和泄漏源强数据，将该气象实时数据与风场数据库中风场查询数 据进行比对查询，从风场数据库中获取该泄漏源的风场数据，将上述风场数据以及泄漏源 强数据带入气体扩散公式，计算获得气体扩散场数据。上述三维模拟方法通过建立风场数 据库，利用该风场数据库快速查询获得泄漏源周围的风场数据，该风场数据的获得过程快 速高效，删减了以往需要进行风场计算的步骤，可以最快时间获得三维模拟场数据，适用于 新形势下化工园区、厂矿企业对应急系统的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是本发明用于气体泄露扩散的三维模拟方法的流程图；
[0024] 图2是本发明针对气体泄露的应急疏散方法的流程图。
【具体实施方式】
[0025] 本发明提供一种用于气体泄露扩散的三维模拟方法，此处气体一般为有毒有害气 体，为了防止有毒有害气体在扩散中对周围生物造成影响和危害，需要快速获得气体泄漏 源及其周围位置处的气体扩散的指标，方便气体泄漏的后续处理和制定人员逃生策略，最 大限度减少损伤。
[0026] 本发明提供的一种用于气体泄露扩散的三维模拟方法，该方法包括以下步骤。
[0027] 步骤S101，获取泄漏源的位置信息。
[0028] 上述泄漏源的位置信息包括泄漏源所处地形和位置坐标等，所述地形包括简单地 形和复杂地形。采用该方法模拟气体的扩散方式使泄漏源的地形情况不受限制。对于复杂 的地形或者泄漏源，仍可采用该方法进行模拟计算，其具体原因在下述步骤中具有具体体 现。
[0029] 为了方便计算，将泄漏源设置于三维空间中，所述泄漏源的位置设置为三维坐标 原点，泄漏源周围的位置则以该坐标原点为基点进行定义。
[0030] 另外，对于泄漏气体的类型及性质也需要确定，因为有些气体具有剧毒、有些气体 的性质仅仅是危害生物，有些气体由于本身的性质扩散较快，有些气体密度大于空气密度， 其泄漏后可能沿地表扩散，所以，泄漏气体的类型和性质也需要定义并形成气体特性的数 据库，在实际使用过程中可以在数据库中直接调取相应的数据信息。
[0031] 步骤S102,根据所述泄漏源的位置，检测该位置及周围的气象实时数据和泄露源 源强数据。
[0032] 所述气象实时数据包括风速实时值和风向实时数据，在气体扩散中风向和风速是 影响气体扩散重要的参数，并且风向和风速也具有不稳定性，风向和风速随时间变化进行 变化，而风场数据又是计算气体扩散至关重要的决定性因素，所以，获取泄漏源及其附近的 风场数据是确定扩散指标的关键因素。
[0033] 所述泄漏源源强数据包括泄漏源泄漏量和泄漏气体组份。该源强数据的影响因素 可以包括气体泄漏体积、组分，以及气体在容腔中的压强等等。上述气体体积组分等因素数 据直接影响泄漏源泄漏量和泄漏强度。
[0034] 当气体泄漏量较大，扩撒范围也较大时，不但需要在泄漏源位置检测气象实时数 据，还需要在泄漏源的周围，特别是在离泄漏源较远位置也设置检测气象实时数据，从而对 泄漏源的泄漏情况进行更精准的模拟计算。
[0035] 所述现场温度和现场湿度也会对气体扩散产生影响。但是温度和湿度一般不会发 生较大变化，相对稳定，并且相比于风速和风向因素的影响，温度和湿度对气体扩散的影响 不是特别大，一般通过温度或者湿度传感器检测出现场的温度和湿度，将该温度值和湿度 值带入至气体扩散公式即可，该计算过程也比较简便，不会增加计算的任务量，从而不会影 响模拟计算的时间。
[0036] 所述气体密度一般与泄漏源源强的一些因素相关联，泄漏气体密度越大，在相同 风速和风向的情况下，对地面影响越危险，并且该气体密度带入气体扩散公式中时，不会增 加太大的计算量，也就不会增加计算时间。
[0037] 另外，在泄漏源位置及其附近周围位置需要检测风向、风速、温度、湿度、气体密度 等一些影响因素，需要有检测设备进行检测，一般风向和风速的检测采用风向风速仪，通过 该风向风速仪可检测出泄漏源及其附近的风向实时数据和风速实时值。通过温度传感器 或者湿度传感器可以检测出泄漏源位置及其周围的温度和湿度。
[0038] 步骤S103,将检测到的气象实时数据与风场数据库中风场查询数据进行比对查 询，从风场数据库中获取该泄漏源的风场数据。
[0039] 所述风场数据库是为方便快速查询风场数据建立的，在气体扩散过程中，风场数 据对模拟计算具有很大的影响，所以需准确快速确定风场数据，故引入风场数据库。
[0040] 所述风场数据库是由风场查询数据及风场数据组构成的。所述风场查询数据包括 风速查询数据和风向查询数据。
[0041] 所述风速查询数据是按照数值大小排列的一组数据，该数值大小可以根据实际需 求进行设定，该风速范围可以是Om/s-lOm/s，每相邻两个数值之间间隔0. 5,即风速查询数 据可以是一列以〇. 5为间隔的且从0开始的数据组，该数据组为0,0. 5m/s，1. Om/s，1. 5m/s， 2. Om/s -直以相同间隔排列至10. Om/s。上述例举的一组数据并不是对风速查询数据的限 制，可以根据需要对该组数据进行设定。
[0042] 所述风向查询数据是按照方向角度值的大小排列的一组数据。与所述风速查询数 据相对应的，所述风向查询数据是一组角度数据，例如，将横坐标的正向方向设定为正西方 向，则正北方向为90°，正东方向为180°，正南方向为270°，依次类推，每一个方向均可 以用角度进行表示，如45°为正西北方向。所述风向查询数据可以是在上述360°方向上 的任意一个角度，但若相邻两个风向角度相差太小或者太大都会造成误差，所以可以将角 度间隔设定为10°，则风向查询数据为一组0°，1〇°，20° -直排列至360°。
[0043] 上述例举是为了更好说明风向查询数据的数据排列，但不限于上述方式的设定。
[0044] 由于风向和风速的不稳定性，以及风向和风速相互影响，两者之间可能具有多种 组合方式，即构成的风场工况数较多，可能在实际操作中会遇到100中风向和100中风速， 这样就会构成10000中风场的工况，极大增加计算模拟工作量和计算步骤。另外，气体扩散 公式本身包含的风场数据是有风向和风速共同决定的，并且风场数据是通过初始的风向和 风速数值通过计算流体力学进行模拟计算确定的该计算过程步骤繁琐，计算量大，需要花 费较长的时间。所以需要通过事先计算建立一个风场数据库，每个风场包括所对应的风场 查询数据。
[0045] 通过建立上述风场数据库，可以节省风场的计算时间和计算过程，将气象实时数 据带入风场数据库中，可以在该风场数据库中获得相对应的风场查询数据，进而确定风场 数据。
[0046] 具体地，风场数据库中每一个风速查询数据和每一个风向查询数据均具有对应关 系，两者可以对应一个风场数据。
[0047] 在该步骤S103中，需要将气象实时数据与风场查询数据相对比，该模拟方法的关 键点也在此，如何更好的将气象实时数据与风场查询数据相匹配，是实现该方法的关键因 素。
[0048] 针对风速实时值，在风场数据库中查询出其相应对的风速查询数据。
[0049] 首先获取风速实时值，判断风场数据库中是否有与该风速实时值相同的风速值， 若判断结果为是，则直接取相对应的风场数据中的风速。
[0050] 上述判断结果这一情况是比较简单的情况，即风速实时值在风场数据库中有相对 应的值，显而易见地，该数值即为需要获取的风场数据中的风速。
[0051] 但是，若判断结果为否，即该风场数据库中没有与所述风速实时值完全对应的数 值，则需要在风场数据库中找出与该风速实时值相近似的两个近似数值，将所述两个相近 似的数值作进一步计算确定该风场数据中的风速。
[0052] 具体地，将接近的两个风速值进行插分运算可得出一个数值，该计算得出的结果 即定为风场数据。
[0053] 上述近似值的方法还可以采用其他方式查询得出，不限于上述插分运算方法。
[0054] 针对风向实时数据，在风场数据库中查询出其相应对的风向数据。
[0055] 风向数据与上述风速查询数据获取的方式相同。
[0056] 首先，获取风向实时数据，判断风场数据库中是否有与该风向实时数据相同的风 向数据，若判断结果为是，则直接取相对应的风场数据为风向数据。
[0057] 若判断结果为否，则根据矢量插分原则计算需要的风向数据。所述矢量插分与上 述插分运算方法原理相近似，首先确定两个近似的风向值，在两个接近的风向值之间通过 角度之间作差，判断出与风向实时数据最接近的风向数据，将该角度的数据确定为风向数 据。
[0058] 在分别获取风向数据和风速数据之后，需要确定风场数据，该风场数据是根据上 述该风向数据和风速数据得出的。
[0059] 所述风场数据是一定范围内的按照一定间隔的所有点的风速、风向数值，表征风 场信息，，所述一系列数值共同表征风场信息。该风场信息可以是一个精准的风场信息，也 可以是近似的风场信息，但该近似的风场信息在误差范围内可以接受。
[0060] 通过上述建立风场数据库，并根据气象实时数据在该风场数据库中获取风场数 据，这一步骤相比于传统模拟方法，节省风场数据计算的时间，传统模拟方法是将气象实时 数据带入一系列公式中模拟计算得出风场数据，该计算过程需要耗费较长时间，而采用风 场数据库进行比对查询，节省上述模拟计算的时间，所以可以节省整个三维模拟方法的计 算时间，起到高效作用。
[0061] 步骤S104,将上述风场参数及泄漏源源强数据带入气体扩散公式，计算获得气体 扩散场数据。
[0062] 上述气体扩散公式是已有的公式，该公式是以基本守恒方程为基础，利用计算流 体力学、传质学与传热学的原则确定的一个计算公式。
[0063] 具体地，采用计算流体力学、传质学与传热学的方法，对泄漏气体的扩散动力学演 化过程及影响范围进行数值模拟研究，通过上述研究最终确定的一系列公式即定义为气体 扩散公式。
[0064] 所述气体扩散场数据包括随时间变化的浓度场数据。通过该气体扩散公式最终可 以获得安全区域、疏散区域、可用疏散时间等因素，安全区域、疏散区域、可用疏散时间均是 为疏散人员提供一个基本的参考数据，在制定应急疏散策略时，可以根据该安全区域、疏散 区域、可用疏散时间进行制定。
[0065] 本发明提供的一种用于气体泄露的三维模拟方法，是一种能够适用于应急系统的 三维模拟技术，具有模拟精度高，适应复杂地表情况，模拟计算速度快的特点，是应急过程 中高效应急预测的关键方法。该模拟方法基于并行计算的高性能集群系统，能够在1分钟 左右完成以往需要模拟1个月的计算成果，非常适合化工园区、大型工业场所、城市公共安 全等事故应急的需求。
[0066] 本发明还提供一种针对气体泄露的应急疏散方法，包括以下步骤：
[0067] 步骤S201，计算获得泄漏气体的扩散场数据。
[0068] 步骤S202,根据所述扩散场数据确定安全区域、疏散区域、可用疏散时、疏散方 向。
[0069] 其中，所述气体的扩散场数据是采用上述用于气体泄露扩散的三维模拟方法得出 的，在此不再赘述。
[0070] 该应急疏散方法是在发生紧急泄漏情况下，通过泄漏气体的场数据确定安全区 域、疏散区域、可用疏散时、疏散方向，并依此制定的一项逃生方案，并且该气体扩散场数据 可以在较短时间内计算得出，使得在发生气体泄漏时，可以用最短的时间根据气体扩散场 数据制定相应的逃生方案，最大程度减少人员伤亡和损失。
[0071] 本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技 术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保 护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
【权利要求】
1. 一种用于气体泄露扩散的三维模拟方法，其特征在于，包括： 获取泄漏源的位置信息； 根据所述泄漏源的位置，检测该位置及周围的气象实时数据和泄漏源源强数据； 将检测到的气象实时数据与风场数据库中风场查询数据进行比对查询，从风场数据库 中获取该泄漏源的风场数据； 将上述风场数据及泄漏源源强数据带入气体扩散公式，计算获得气体扩散场数据。
2. 根据权利要求1所述的用于气体泄露扩散的三维模拟方法，其特征在于，所述气象 实时数据包括风向实时数据和风速实时值； 所述泄漏源源强数据包括泄漏源泄漏量和泄漏气体组份。
3. 根据权利要求1所述的用于气体泄露扩散的三维模拟方法，其特征在于，所述风场 数据库中风场查询数据包括风速查询数据和风向查询数据； 所述风速查询数据是按照数值大小排列的一组数据；所述风向查询数据是按照方向角 度值的大小排列的一组数据； 所述从风场数据库中获取该泄漏源的风场数据，具体是，风场数据库中一个风速查询 数据和一个风向查询数据共同对应一个风场数据，该数据为泄漏源的风场。
4. 根据权利要求3所述的用于气体泄露扩散的三维模拟方法，其特征在于，所述气象 实时数据为风速实时值，所述将检测到的气象实时数据与风场数据库中风场查询数据进行 比对查询，采用以下方式： 获取风速实时值，判断风场数据库中是否有与该风速实时值相同的风速值，若判断结 果为是，则直接取相对应的风场数据； 若判断结果为否，则先确定接近的两个风速值，再将该接近的两个风速值进行插分运 算得出风场数据。
5. 根据权利要求3所述的用于气体泄露扩散的三维模拟方法，其特征在于，所述现场 气象数据为现场风向数据，所述将检测到的气象实时数据与风场数据库中风场查询数据进 行比对查询，采用以下方式： 获取风向实时数据，判断风场数据库中是否有与该风向实时数据相同的风向数据，若 判断结果为是，则直接取相对应的风场数据； 若判断结果为否，则找出接近的两个风向数据，将接近的两个风场数据进行矢量插分 运算得出需要的风场数据。
6. 根据权利要4或5任一项所述的用于气体泄露扩散的三维模拟方法，其特征在于，所 述风场数据是根据风速查询数据和风向查询数据，利用三维计算流体力学计算得出的。
7. 根据权利要求1所述的用于气体泄露扩散的三维模拟方法，其特征在于，所述气体 扩散公式是以基本守恒方程为基础，利用计算流体力学、传质学与传热学的原则确定的一 个计算公式。
8. 根据权利要求1所述的用于气体泄露扩散的三维模拟方法，其特征在于，所述气体 扩散场数据包括随时间变化的浓度场数据，以及相应的安全区域、疏散区域和可用疏散时 间。
9. 根据权利要求1所述的用于气体泄露扩散的三维模拟方法，其特征在于，所述气象 实时数据采用风向风速仪检测。
10. 根据权利要求9所述的用于气体泄露扩散的三维模拟方法，其特征在于，所述风向 风速仪设置在泄漏源的位置处和/或与泄漏源周围的特定检测位置处。
11. 一种针对气体泄露的应急疏散方法，其特征在于，包括： 计算获得泄漏气体的扩散场数据； 根据所述扩散场数据确定疏散范围、安全距离、疏散方向和可用疏散时间； 其中，所述扩散场数据是采用上述权利要求1-10任一项所述的用于气体泄露扩散的 三维模拟方法得出。
【文档编号】G06T17/00GK104091001SQ201410292896
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】席学军 申请人:中国安全生产科学研究院