一种重气持续泄漏扩散的动态模拟方法
【专利摘要】本发明提供一种重气持续泄漏扩散的动态模拟方法，其是基于平板模型的，包括：输入已知参数，并根据已知参数初始化相关参数；计算ERPGs浓度稳态下的最大影响距离；在本地坐标系下生成左边界，左边界包括上风向左边界、下风向左边界和末端左边界；并校验纠正左边界的边界点；根据计算得到的左边界的边界点生成右边界；将左边界和右边界的边界点的坐标转换为经纬度坐标；并根据该经纬度坐标绘制出重气持续泄漏扩散的动态模拟GIS效果图。通过本发明，不仅仅可以模拟出稳定状态下的重气持续泄漏扩散态势，还可以动态的模拟重气持续泄漏扩散随时间变化的过程。
【专利说明】一种重气持续泄漏扩散的动态模拟方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种突发性事故的应急处理技术，特别是涉及一种重气持续泄漏扩散的动态模拟方法。
【背景技术】
[0002]危化品泄漏事故一般突发性强，影响范围广，危害后果严重；尤其是重气泄露事故，如氯气等，由于密度比空气大，泄漏后重气先重力下沉而后沿地面扩散，再加上泄漏物质本身的毒性，将对泄漏影响区域的人员、环境安全造成极大的威胁，甚至有可能造成大量的人员伤亡。因此，泄漏事故的控制越来越受社会的重视，国内外研究人员针对重气持续泄漏扩散也先后展开了一系列的研究，如现场试验，风洞试验，数学模拟等；相比于前两者方法，数值模拟的方法凭着其成本低，操作方便等优点以及计算机仿真技术的快速发展，近年来逐渐成为重气持续泄漏扩散研究的主流方法。
[0003]数学模拟法是指利用数学建模的方式来描述气体扩散过程，并利用计算机仿真技术实现对气体扩散态势的模拟；该方法大体分为两个步骤:1.构建重气扩散模型；2根据模型通过计算机仿真模拟气体扩散的过程。其中，扩散模型的构建起着至关重要的作用，它的准确性和科学性将直接决定最终模拟出来的结果，所以大量的国内外相关机构与学者围绕着构建更可靠更精确的扩散模型展开了大量的研究，目前，已经研究出了大量的重气扩散模型，如BM模型(经验模型)、箱模型、平板模型、浅层模型、拉格朗日粒子模型、CFD(Computat1nal Fluid Dynamics,计算流体动力学)模型等。这些模型中，较复杂的模型，如CFD、浅层模型等，具有较好的准确性，然而由于其计算复杂度过大，计算时间过长，在实际的工业应用中，并不适用；反而是箱模型、平板模型等这样一些能够更好的兼顾计算复杂度和准确度的模型，更适合实际的工业应用。尤其是在对时间要求比较高的突发事故的应急处置中，平板模型的应用比较广泛。
[0004]平板模型是用于描述重气持续泄漏场景的重气持续泄漏扩散模型，其在模型的准确性和计算复杂度上具有很好的折中，很适合实际应用；然而由于该模型自身存在的一些数学上的限制性:
[0005]1、该模型属于是下风向方向上的一维平均分布模型，无法区分出垂风向上不同浓度的分布；
[0006]2、该模型是半封闭的模型，没有准确标识区域间的边界；
[0007]3、该模型是对重气持续泄漏扩散稳态的描述，不具备随时间变化的扩散过程的信肩、O
[0008]因此，基于平板模型使用计算机仿真重气持续泄漏扩散具有一定的难度，如采用一般的方法，简单、机械的对模型进行求解，仿真效果往往不够准确和直观，导致对突发事故应急处置的指挥调度、救援等工作的指导意义不大。
【发明内容】
[0009]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种重气持续泄漏扩散的动态模拟方法，用于解决现有技术中通过平板模型无法动态模拟出随时间变化的重气持续泄漏扩散过程以及仿真结构不够准确和直观的问题。
[0010]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种重气持续泄漏扩散的动态模拟方法，所述方法是基于平板模型的，其特征在于，所述动态模拟方法包括:
[0011]步骤S10，输入已知参数，并根据所述已知参数初始化相关参数；
[0012]步骤S20，计算ERPGs浓度稳态下的最大影响距离；
[0013]步骤S30，在本地坐标系下生成左边界；
[0014]步骤S40，校验纠正所述左边界；
[0015]步骤S50，生成右边界:右边界的边界点的X坐标的值与所述左边界的边界点的X坐标的值相同，y坐标的值相反；
[0016]步骤S60，转换坐标系:将所述左边界和所述右边界的边界点的坐标转换为经纬度坐标；
[0017]步骤S70，输出所述步骤S60转换得到的经纬度坐标，并据此绘制GIS效果图。
[0018]可选地，所述已知参数包括风速、风向、气压、气温、泄漏源的经纬度、泄漏源的高度、重气云团初始密度、重气云团初始半宽1?、泄漏后的时间、重气的分子量和EPRGs浓度。
[0019]可选地，所述相关参数包括:用弧度表示的风向；气压与标准大气压的比值；初始高度& ;地面风速。
[0020]可选地，所述最大影响距离分别是在轻EPRGs的浓度值ERPGs-3稳态下、中EPRGs的浓度值ERPGs-2稳态下和重EPRGs的浓度值ERPGs-1稳态下计算得到的。
[0021]可选地，所述本地坐标系是以下风向为X轴的正方向，垂直方向为y轴方向，泄漏源点的坐标设为(0，0)。
[0022]可选地，所述步骤S30中生成所述左边界包括:
[0023]S31，生成上风向左边界；
[0024]S32，生成下风向左边界以及末端左边界。
[0025]可选地，所述步骤S31的生成上风向左边界，具体包括:
[0026]步骤S311，从坐标(0,1?)开始向上风向方向按照η/25的弧度间隔使用弧度推进法逆推计算5个点，每个所述点的坐标值为:
[0027]b=b0* l + 1.5*[g*々。*(尸尸；(5)
K.Pa J U*h
VJ
[0028]X = prex_prey*sin ( Θ ) ； (8)
[0029]其中，所述点的X坐标值X表示上风向距离的相反数，y坐标值为b，表示重气云团半宽；g表示重力加速度，Ptl表示重气密度，Pa表示空气密度；Θ为弧度间隔值，Prex表示前一点的X坐标值，prey表示前一点的γ坐标值；
[0030]步骤S312，判断重气云团半宽b的大小是否大于5:如果大于5，则返回所述步骤S311 ;如果小于5，则向所述上风向方向按照π/10的弧度间隔使用半圆法逆推计算5个点，并按照所述公式(8)计算下风向距离X ;所述公式(5)重气云团半宽b。
[0031]可选地，所述步骤S32的生成下风向左边界和末端左边界包括:
[0032]步骤S321，设定初始的步长St印；
[0033]步骤S322，从所述本地坐标系的坐标(0,1?)开始，沿着x轴的正方向，按照所述步长step递增取X值；并根据所述公式(5)计算重气云团半宽b ；
[0034]步骤S323，判断X是否达到所述最大影响距离:如果达到，则将(x，b)作为所述下风向左边界的边界点，并跳转至所述步骤S325 ;如果没有达到，则跳转至步骤S324 ；
[0035]步骤S324，判断X是否达到风速*泄漏后的时间:如果达到，则跳转至步骤S328 ；如果未达到，则调整所述步长step，并跳转至所述步骤S322继续按照调整过的所述步长step进行递增取点；其中，调整的所述步长是依据下风向的边界距离而设定的；
[0036]步骤S325，使用所述弧度推进法从所述下风向左边界的边界点求取等值点坐标的X坐标值X，根据所述等值点的X坐标值X通过所述公式(5)计算重气云团半宽b，得到所述等值点坐标(X，b)；
[0037]步骤S326，判断所述等值点坐标的X坐标值x是否大于风速*泄漏后的时间:如果大于，则跳转至步骤S328 ;如果小于，则跳转至步骤S327 ；
[0038]步骤S327，判断所述重气云团半宽b是否收敛:如果收敛，则跳转至步骤S328 ;如果不收敛，则重新跳转回所述步骤S325 ；
[0039]步骤S328，采用所述半圆法求取末端等值线点坐标；
[0040]其中，所述末端等值线点为所述末端左边界的边界点。
[0041]可选地，所述步骤S40的校验和纠正所述左边界包括两部分:1)对所述ERPGs浓度为ERPGs-3和ERPGs-2时的两个等值线点的坐标集合进行校验和纠正；2)对所述ERPGs浓度为ERPGs-2和ERPGs-1的两个等值线点的坐标集合进行校验和纠正。
[0042]可选地，所述步骤S60的转换坐标系具体包括:
[0043]步骤S61，旋转所述左边界和所述右边界的边界点的本地坐标；
[0044]步骤S62，根据所述泄漏源的经纬度，计算出所述泄漏源的UTM坐标；
[0045]步骤S63，根据所述泄漏源的UTM坐标，将所述步骤S61旋转过的所述左边界和所述右边界的边界点的坐标转换为对应的UTM坐标；
[0046]步骤S64，将所述左边界和所述右边界的边界点的UTM坐标转换成经纬度坐标。
[0047]如上所述，本发明的一种重气持续泄漏扩散的动态模拟方法，具有以下有益效果:
[0048]I)优化了危害区域等浓度边界等值线，使得模拟所述的态势结果更接近实际的气体扩散过程；
[0049]2)优化了重气浓度的横向分布，使得重气浓度在横风向的分布上也有了一定的梯度变化；
[0050]3)本发明不仅仅可以模拟出稳定状态下的重气持续泄漏扩散态势，还可以动态的模拟重气持续泄漏扩散随时间变化的过程。
【专利附图】
【附图说明】
[0051]图1显示为本发明的实施例公开的一种重气持续泄漏扩散的动态模拟方法的流程不意图。
[0052]图2显示为本发明的实施例公开的一种重气持续泄漏扩散的动态模拟方法中生成上风向左边界的流程示意图。
[0053]图3显示为本发明的实施例公开的一种重气持续泄漏扩散的动态模拟方法中生成下风向左边界和末端边界的流程示意图。
[0054]图4显示为本发明的实施例公开的一种重气持续泄漏扩散的动态模拟方法中对边界点进行坐标转换的流程示意图。
[0055]图5显示为在实施例2的已知参数下，使用平板模型模拟的EPRGs的等值线GIS效果图。
[0056]图6至图9显示为本发明实施例2公开的一种重气持续泄漏扩散的动态模拟方法模拟出的不同泄漏时间长度下的EPRGs的等值线GIS效果图。
[0057]元件标号说明
[0058]SlO ?S70 步骤
[0059]S31 ?S32 步骤
[0060]S311 ?S312 步骤
[0061]S321 ?S328 步骤
[0062]S61 ?S64 步骤
【具体实施方式】
[0063]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0064]请参阅图1至图9，需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0065]平板模型是一种描述重气持续泄漏扩散的模型，具备较好的准确性和适度的计算复杂度，广泛用于突发事故的重气持续泄漏扩散的模拟；然而由于平板模型自身的一些数学上的局限性，采用一般的方法直接对模型进行求解模拟，效果比较差，对突发事故的指挥调度、救援等工作的指导意义不大。因此，本发明公开了一种基于平板模型的重气持续泄漏扩散的动态模拟方法。
[0066]实施例1
[0067]本实施例的一种重气持续泄漏扩散的动态模拟方法，具体如图1所示，包括:
[0068]步骤S10，输入已知参数，并根据已知参数初始化相关参数:
[0069]由于本实施例进行重气持续泄漏扩散的动态模拟的，所以其已知参数具体包括:10米高的风速U、风向(角度)、气压、气温、泄漏源经度long、泄露源纬度lat、泄漏源高度h、重气云团初始密度、重气云团初始半宽k、事发后的时间t、泄露物质分子量、泄漏物质的ERPGs浓度c和气云初始浓度Ctl等等。
[0070]初始化相关参数具体包括:
[0071]a.将风向转化为弧度:弧度=角度*π/180 ；
[0072]b.气压转化为与标准大气压的比值；
[0073]c.初始高度 h。:h0 = b0/2 ；
[0074]d.地面风速
【权利要求】
1.一种重气持续泄漏扩散的动态模拟方法，所述方法是基于平板模型的，其特征在于，所述动态模拟方法包括: 步骤S10，输入已知参数，并根据所述已知参数初始化相关参数； 步骤S20，计算ERPGs浓度稳态下的最大影响距离； 步骤S30，在本地坐标系下生成左边界； 步骤S40，校验纠正所述左边界； 步骤S50,生成右边界:右边界的边界点的X坐标的值与所述左边界的边界点的X坐标的值相同，y坐标的值相反； 步骤S60，转换坐标系:将所述左边界和所述右边界的边界点的坐标转换为经纬度坐标； 步骤S70，输出所述步骤S60转换得到的经纬度坐标，并据此绘制GIS效果图。
2.根据权利要求1所述的重气持续泄漏扩散的动态模拟方法，其特征在于，所述已知参数包括风速U、风向、气压、气温、泄漏源的经纬度、泄漏源的高度、重气云团初始密度、重气云团初始半宽1?、泄漏后的时间、重气的分子量和EPRGs浓度。
3.根据权利要求2所述的重气持续泄漏扩散的动态模拟方法，其特征在于，所述相关参数包括:用弧度表示的风向；气压与标准大气压的比值；初始高度& ;地面风速和重气密度Po。
4.根据权利要求3所述的重气持续泄漏扩散的动态模拟方法，其特征在于，所述最大影响距离分别是在轻EPRGs的浓度值ERPGs-3稳态下、中EPRGs的浓度值ERPGs_2稳态下和重EPRGs的浓度值ERPGs-1稳态下计算得到的。
5.根据权利要求4所述的重气持续泄漏扩散的动态模拟方法，其特征在于，所述本地坐标系是以下风向为X轴的正方向，垂直方向为I轴方向，泄漏源点的坐标设为(0,0)。
6.根据权利要求5所述的重气持续泄漏扩散的动态模拟方法，其特征在于，所述步骤S30中生成所述左边界包括 S31，生成上风向左边界； S32，生成下风向左边界以及末端左边界。
7.根据权利要求6所述的重气持续泄漏扩散的动态模拟方法，其特征在于，所述步骤S31的生成上风向左边界，具体包括: 步骤S311，从坐标(0,1?)开始向上风向方向按照η/25的弧度间隔使用弧度推进法逆推计算5个点，每个所述点的坐标值为:
其中，所述点的X坐标值X表示上风向距离的相反数，y坐标值为b，表示重气云团半宽；g表示重力加速度，Pa表示空气密度；Θ为弧度间隔值，Prex表示前一点的X坐标值，Prey表示前一点的坐标值； 步骤S312，判断重气云团半宽b的大小是否大于5:如果大于5，则返回所述步骤S311 ;如果小于5，则向所述上风向方向按照π /10的弧度间隔使用半圆法逆推计算5个点，并按照所述公式(8)计算下风向距离X ;所述公式(5)重气云团半宽b。
8.根据权利要求7所述的重气持续泄漏扩散的动态模拟方法，其特征在于，所述步骤S32的生成下风向左边界和末端左边界包括: 步骤S321,设定初始的步长step ； 步骤S322，从所述本地坐标系的坐标(0，b0)开始，沿着X轴的正方向，按照所述步长step递增取X值；并根据所述公式(5)计算重气云团半宽b ； 步骤S323，判断X是否达到所述最大影响距离:如果达到，则将(x，b)作为所述下风向左边界的边界点，并跳转至所述步骤S325 ;如果没有达到，则跳转至步骤S324 ； 步骤S324，判断X是否达到风速*泄漏后的时间:如果达到，则跳转至步骤S328 ;如果未达到，则调整所述步长step，并跳转至所述步骤S322继续按照调整过的所述步长step进行递增取点；其中，调整的所述步长是依据下风向的边界距离而设定的； 步骤S325，使用所述弧度推进法从所述下风向左边界的边界点求取等值点坐标的X坐标值X，根据所述等值点的X坐标值X通过所述公式(5)计算重气云团半宽b，得到所述等值点坐标(X，b)； 步骤S326，判断所述等值点坐标的X坐标值X是否大于风速*泄漏后的时间:如果大于，则跳转至步骤S328 ;如果小于，则跳转至步骤S327 ； 步骤S327，判断所述重气云团半宽b是否收敛:如果收敛，则跳转至步骤S328 ;如果不收敛，则重新跳转回所述步骤S325 ； 步骤S328，采用所述半圆法求取末端等值线点坐标； 其中，所述末端等值线点为所述末端左边界的边界点。
9.根据权利要求6所述的重气持续泄漏扩散的动态模拟方法，其特征在于，所述步骤S40的校验和纠正所述左边界包括两部分:1)对所述ERPGs浓度为ERPGs-3和ERPGs_2时的两个等值线点的坐标集合进行校验和纠正；2)对所述ERPGs浓度为ERPGs-2和ERPGs-1的两个等值线点的坐标集合进行校验和纠正。
10.根据权利要求9所述的重气持续泄漏扩散的动态模拟方法，其特征在于:所述步骤S60的转换坐标系具体包括: 步骤S61，旋转所述左边界和所述右边界的边界点的本地坐标； 步骤S62，根据所述泄漏源的经纬度，计算出所述泄漏源的UTM坐标； 步骤S63，根据所述泄漏源的UTM坐标，将所述步骤S61旋转过的所述左边界和所述右边界的边界点的坐标转换为对应的UTM坐标； 步骤S64，将所述左边界和所述右边界的边界点的UTM坐标转换成经纬度坐标。
【文档编号】G06F17/50GK104182588SQ201410428917
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】刘道明, 魏建明, 徐俊, 张 浩, 田欣 申请人:中国科学院上海高等研究院