用于三维空间的泄漏气体扩散预测方法

文档序号:8339820来源:国知局
用于三维空间的泄漏气体扩散预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及气体扩散预测领域。
【背景技术】
[0002] 2006年2月,国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020 年)》,将"公共安全"列为重点领域,明确提出发展危险化学品泄漏应急救援技术、核生化恐 怖源的远程探测技术等。2011年3月,时任国务院总理温家宝签署国务院令公布修订后的 《危险化学品安全管理条例》。条例中所涉及的危险化学品,特别是有毒气体的泄漏,会在风 力的作用下可快速传播至几公里之外,导致大面积中毒,对人体、设施、环境等都会造成危 害,甚至是永久性伤害。因此,在控制泄漏源的同时,需要迅速疏散泄漏源周围的居民,并进 行中毒人员救援,而这些都需要首先确定泄漏气体的扩散范围、趋势,从而确定警戒与疏散 范围、撤离路线以及救援资源分配等。上述这些工作均需要建立在对泄漏气体的实时扩散 进行模拟的基础上,如何合理地、有效地通过数值模拟预测泄漏物质的迁移演化规律有利 于社会安全,也是提升应急救援效率的重要前提。
[0003] 目前,常用的扩散模型:如高斯模型(Gaussian)、高斯烟羽模型(Gaussian plume)、高斯烟团模型(Gaussian puff)、BM模型、Sutton模型、三位有限元计算模型 (FEM3)等,这些模型一定程度为泄漏气体扩散预测奠定了基础,国内学者丁信伟等(丁信 伟,王淑兰.可燃及毒性气体泄漏扩散研究综述.化学工业与工程,1999,16 (2) :118-122) 对以上几类模型进行分析并指出其各自的适用范围和局限,在此不再叙述。在上述所有模 型中,高斯模型提出时间较早、实验数据多并且计算方便。目前,很多应用都采用高斯模型 或其改进模型,但由于实际环境较为复杂,特别是地质环境(如实际扩散区域大多有起伏地 形、各类建筑等多种地形因素)以及泄漏源数量等严重影响了实际预测效果。
[0004] 2009 年,Fan 等(Fan L,Yi S,Li Z,et al. Research on toxic Gas Diffusion Simulation in Urban areas based on GIS. New Trends in Information and Service Science, NISS' 09. International Conference on. IEEE, 2009:166-169)利用改进的高斯 模型模拟城区内的气体扩散,并达到一定精度,但其对于扩散预测效率和输入条件方面的 要求较为严格,实际应用中会受到一定限制;同时,也未考虑到同时有2个或2个以上泄漏 源时所带来的影响。2011 年,Stockie (Stockie J M. The mathematics of atmospheric dispersion modeling. Siam Review, 2011,53 (2) : 349-372)重现了 高斯模型的推导过程, 根据物理假设的不同,得出不同的结果,但仍旧未考虑空间三维地形以及泄漏源数量等的 影响。总的来说,对具有复杂几何学特征的高密度建筑物区域以及高起伏地形条件下的多 泄漏源扩散浓度值的预测,高斯模型的性能并不理想。
[0005] 2011年,黄弘等提出了一种基于Lagrangian模型与Eulerian模型稱合的建筑物 周边气体扩散模拟方法(黄弘,胡啸峰等,基于Lagrangian模型与Eulerian模型稱合的建 筑物周边气体扩散模拟,清华大学学报(自然科学版),2011,51 (12) : 1870-1876),但该方法 未涉及高起伏地形条件以及多泄漏源扩散问题,该方法主要适用于城市建筑物周边大气扩 散预测。
[0006] 随着计算机的计算性能提升,基于计算流体力学模型的方法得到了很大发展 (Zajaczkowski F Jj Haupt S E,Schmehl K J. A preliminary study of assimilating numerical weather prediction data into computational fluid dynamics models for wind prediction. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2011, 99(4) :320-329),并成为近年来人们研究泄漏气体扩散的主要趋势,但由于计算流体力学 模型需要对平面和空间进行离散化,尽管计算性能提升,但要实现大范围,特别是高起伏地 形有毒气体扩散预测(相对于平面和平坦三维地形,高起伏地形条件会引起计算域空间突 增),难度十分大,其主要原因在于对整个关注区域都建模计算,这无疑增大了求解的难度, 降低了扩散求解的效率,不利于实际应用。

【发明内容】

[0007] 本发明提供了一种用于三维空间的泄漏气体扩散预测方法,该方法能对具有复杂 几何学特征的高密度建筑物区域和/或高起伏地形下的一个或多个泄漏源形成的扩散浓 度场进行预测,并兼顾预测效率。
[0008] 根据本发明的一个方面,提供了一种用于三维空间的泄漏气体扩散预测方法,该 方法包括:步骤S1,采集参数,所述参数包括地理环境参数和泄漏源自身的参数;步骤S2, 建立坐标系,并参照该坐标系建立固定区计算域,将所述固定区计算域内的气体离散化为 由多个离散点界定的流体微团;步骤S3,基于流体力学领域的纳维-斯托克斯方程建立在 所述固定区计算域内的泄漏气体扩散方程,所述泄漏气体扩散方程中包括质量守恒方程、 动量方程和能量守恒方程;步骤S4,将所述步骤S3中得到的所述质量守恒方程、所述动量 方程和所述能量守恒方程转换为关于空间离散坐标和时间坐标的差分方程,并根据定解条 件和采集到的所述参数,以迭代的方式求解所述固定区计算域内的泄漏气体扩散浓度分布
【主权项】
1. 一种用于三维空间的泄漏气体扩散预测方法,该方法包括: 步骤Sl,采集参数,所述参数包括地理环境参数和泄漏源自身的参数; 步骤S2,建立坐标系,并参照该坐标系建立固定区计算域,将所述固定区计算域内的气 体离散化为由多个离散点界定的流体微团; 步骤S3,基于流体力学领域的纳维-斯托克斯方程建立在所述固定区计算域内的泄漏 气体扩散方程,所述泄漏气体扩散方程中包括质量守恒方程、动量方程和能量守恒方程; 步骤S4,将所述步骤S3中得到的所述质量守恒方程、所述动量方程和所述能量守恒 方程转换为关于空间离散坐标和时间坐标的差分方程,并根据定解条件和采集到的所述参 数,以迭代的方式求解所述固定区计算域内的泄漏气体扩散浓度分布场M1aw 的 数值解; 步骤S5,建立所述泄漏气体扩散浓度分布场Afito
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