危险气体扩散危害区域测定方法及系统与流程

1.本发明涉及气体扩散区域测定检测领域，具体地，涉及一种危险气体扩散危害区域测定方法及一种危险气体扩散危害区域测定系统。


背景技术：

2.有毒、易燃易爆等危险气体的扩散，可能造成人员中毒危害和火灾爆炸危害，因此需要准确、定量的确定其影响区域。现有确定危险气体扩散影响的方法主要是数值模拟，数值模拟包括二维模拟和三维模拟。二维模拟是根据经验公式和模型计算出的理想状态下的扩散影响区域，是在平面中计算的，无法考虑山区复杂地形条件。三维模拟也是一种基于计算流体力学(cfd)的理想方法，无法同时模拟出复杂地形、风速、风向、等对扩散区域的影响，而且cfd三维模拟结果做了过多的简化和假设，其准确性和可靠性有限。
3.现有的数值模拟方法由于其数值模型本身的局限性，无法有效确定出复杂地形、障碍物、复杂的大气湍流等因素影响下特定位置，在不同泄漏工况下的扩散危害区域。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的是提供一种危险气体扩散危害区域测定方法及系统，解决泄漏工况下，存在障碍物或有明显的地形变化等复杂扩散过程的扩散危害区域的预测问题。
5.为了实现上述目的，本发明实施例提供一种危险气体扩散危害区域测定方法，所述测定方法包括：
6.在污染源释放条件下，获取风洞中设定检测点在不同风向作用下的污染实验检测浓度，所述风洞内设置有与待测区域实际地形特征对应的检测模型；所述设定检测点均匀布设在烟气释放点与检测模型的边界之间；
7.将获取的实验检测浓度分别与选定的浓度危害阈值比较，将与选定的浓度危害阈值相匹配的实验检测浓度对应的设定检测点的位置作为第一扩散位置；
8.根据所述第一扩散位置确定与选定的浓度危害阈值相匹配的危险气体扩散危害区域。
9.可选的，根据以下方式确定实验检测浓度与选定的浓度危害阈值相匹配：
10.根据选定的实验检测浓度，利用实验检测浓度与待测区域实际地形特征的实际检测浓度之间的对应关系，得到选定的实验检测浓度对应的待测区域实际地形特征的实际检测浓度，若该实际检测浓度与选定的浓度危害阈值相等，则确定该实际检测浓度对应的实验检测浓度与选定的浓度危害阈值相匹配。
11.可选的，所述实验检测浓度与待测区域实际地形特征的实际检测浓度之间的对应关系为：
[0012][0013]
其中，c
p
为待测区域实际地形特征的实际检测浓度；cm为实验检测浓度；u
p
为待测
区域原型气体实际扩散的特征速度；um为检测模型所在区域的气体扩散的特征速度；σ
ym
为检测模型下风向在模型中距离泄漏源x处的水平扩散参数；σ
yp
为待测区域实际下风向在模型中距离泄漏源x处的水平扩散参数；σzm为模型下风向在模型中距离泄漏源x处的垂直扩散参数；σz
p
为待测区域实际下风向中距离原型泄漏源x处的垂直扩散参数；c
op
为待测区域内实际烟囱口污染物体积浓度；c
om
为检测模型烟囱口污染物体积浓度；qm为检测模型烟气预设时间内的总释放量；q
p
为待测区域实际烟气预设时间内的总释放量。
[0014]
可选的，在将实验检测浓度与选定的浓度危害阈值进行比较之前，该测定方法还包括：将所述实验污染检测浓度进行规整化处理。
[0015]
可选的，所述根据第一扩散位置确定与选定的浓度危害阈值相匹配的危险气体扩散危害区域，包括：
[0016]
运用聚类算法对第一扩散位置进行修正，去除第一扩散位置中的偏离位置，得到修正后的扩散位置；
[0017]
将修正后的扩散位置所在区域的边缘点运用插值样条曲线绘制边缘线，确定修正后的扩散位置所在区域的边缘位置。
[0018]
本发明还提供一种危险气体扩散危害区域测定系统，所述测定系统包括：
[0019]
获取模块，用于获取在污染源释放条件下风洞中设定检测点在不同风向作用下的污染实验检测浓度，所述风洞内设置有与待测区域实际地形特征对应的检测模型；
[0020]
处理模块，用于将获取的实验检测浓度分别与选定的浓度危害阈值比较，将与选定的浓度危害阈值相匹配的实验检测浓度对应的设定检测点的位置作为第一扩散位置；根据所述第一扩散位置确定与选定的浓度危害阈值相匹配的危险气体扩散危害区域。
[0021]
可选的，所述处理模块根据以下方式确定实验检测浓度与选定的浓度危害阈值相匹配：
[0022]
根据选定的实验检测浓度，利用实验检测浓度与待测区域实际地形特征的实际检测浓度之间的对应关系，得到选定的实验检测浓度对应的待测区域实际地形特征的实际检测浓度，若该实际检测浓度与选定的浓度危害阈值相等，则确定该实际检测浓度对应的实验检测浓度与选定的浓度危害阈值相匹配。
[0023]
可选的，所述实验检测浓度与待测区域实际地形特征的实际检测浓度之间的对应关系为：
[0024][0025]
其中，c
p
为待测区域实际地形特征的实际检测浓度；cm为实验检测浓度；u
p
为待测区域原型气体实际扩散的特征速度；um为检测模型所在区域的气体扩散的特征速度；σ
ym
为检测模型下风向在模型中距离泄漏源x处的水平扩散参数；σ
yp
为待测区域实际下风向在模型中距离泄漏源x处的水平扩散参数；σzm为模型下风向在模型中距离泄漏源x处的垂直扩散参数；σz
p
为待测区域实际下风向中距离原型泄漏源x处的垂直扩散参数；c
op
为待测区域内实际烟囱口污染物体积浓度；c
om
为检测模型烟囱口污染物体积浓度；qm为检测模型烟气预设时间内的总释放量；q
p
为待测区域实际烟气预设时间内的总释放量。
[0026]
可选的，所述处理模块还用于在将实验检测浓度与选定的浓度危害阈值进行比较之前，将所述实验污染检测浓度进行规整化处理。
[0027]
可选的，所述根据第一扩散位置确定与选定的浓度危害阈值相匹配的危险气体扩散危害区域，包括：
[0028]
运用聚类算法对第一扩散位置进行修正，去除第一扩散位置中的偏离位置，得到修正后的扩散位置；
[0029]
将修正后的扩散位置所在区域的边缘点运用插值样条曲线绘制边缘线，确定修正后的扩散位置所在区域的边缘位置。
[0030]
通过上述技术方案，在污染源释放条件下，获取风洞中设定检测点在不同风向作用下的污染实验检测浓度，所述风洞内设置有与待测区域实际地形特征对应的检测模型，相比数值模拟，通过风洞实验测试结果的可靠性和准确性更高；风洞中设定检测点在不同风向作用下的污染检测浓度有效考虑了复杂地形、不同风向、风速的影响，给出复杂条件下的不规则浓度等高线，解决了二维数值模拟无法考虑复杂地形等因素的缺陷；进一步的可以同时给出所有风向下的全方位危害影响区域，通过所述浓度危害阈值相匹配的危害区域边界，定量地确定复杂条件下的外部安全防护距离。
[0031]
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0032]
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
[0033]
图1是本技术实施方式提供的危险气体扩散危害区域测定方法示意图；
[0034]
图2是本技术实施方式提供的危险气体扩散危害区域测定方法中实验检测浓度分布示意图。
具体实施方式
[0035]
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
[0036]
本发明提供一种危险气体扩散危害区域测定方法，所述测定方法包括：在污染源释放条件下，获取风洞中设定检测点在不同风向作用下的污染实验检测浓度，所述风洞内设置有与待测区域实际地形特征对应的检测模型；将获取的实验检测浓度分别与选定的浓度危害阈值比较，将与选定的浓度危害阈值相匹配的实验检测浓度对应的设定检测点的位置作为第一扩散位置；根据所述第一扩散位置确定与选定的浓度危害阈值相匹配的危险气体扩散危害区域。风洞中的检测点均匀布设在烟气释放点与实验模型边界之间，根据设计精度的需要，优选的，接近烟气释放点位置如10m的地方，布设的检测点更密集。其中，风洞模型中最近的检测点与释放点之间的距离换算为原型实际距离后不超过50m。
[0037]
如图1所示，具体的，在本实施例中，待测区域实际地形特征对应的模型的建立时，具体根据泄漏区域实际地形特征和相似理论，建立实体物理模型；通过风洞实验确定所有风向优选为8个风向：n(北)，e(东)，s(南)，w(西)，ne(东北)，nw(西北)，sw(西南)，ew(西北)；n，e，s，w，ne，nw，sw，ew这8种相临风向之间的夹角为45度。风速可以选择3种风速(低风速:1-3m/s、中风速:3-5m/s、高风速:＞5m/s)，具体根据测试的需求进行设定。首先根据量
纲分析与相似理论，保证以下条件满足相似准则：
[0038]
(1)几何相似准则。泄漏源模型和所关心区域的地形，以及泄漏源附近对流场影响较大的其它建筑物、障碍物等应满足比较严格的几何相似，保证流动的固壁边条件相似。实验采用1:1000的比例。
[0039]
(2)雷诺数re＝ul/v无关准则。u取前方来流边界层高度(300m以上)处的风速；l取边界层高度δ作为参考；v为来流运动粘性系数；大气边界层模拟时雷诺数量级不低于104。
[0040]
(3)模型表面粗糙度雷诺数re*＝z0uf/v无关准则。对于模型表面局部的流动，采用粗糙度雷诺数re*＝z0uf/v》2.5作为判据，其中uf为摩擦速度，以保证壁面为空气动力学粗糙。
[0041]
(4)风场相似性检验。对模拟出的风场进行检验，检验内容包括在上游来流和模拟关心区域的平均风速廓线、湍流度廓线相似以及湍流谱相似。
[0042]
进一步的，可以确定浓度场的实验(模型)与现场(待测区域实际地形特征也称为原型)的浓度对应关系也即是所述实验检测浓度与待测区域实际地形特征的实际检测浓度之间的对应关系，具体对应关系为：
[0043][0044]
其中，c
p
为待测区域实际地形特征的实际检测浓度；cm为实验检测浓度；u
p
为待测区域原型气体实际扩散的特征速度；um为检测模型所在区域的气体扩散的特征速度；σ
ym
为检测模型下风向在模型中距离泄漏源x处的水平扩散参数；σ
yp
为待测区域实际下风向在模型中距离泄漏源x处的水平扩散参数；σzm为模型下风向在模型中距离泄漏源x处的垂直扩散参数；σz
p
为待测区域实际下风向中距离原型泄漏源x处的垂直扩散参数；c
op
为待测区域内实际烟囱口污染物体积浓度；c
om
为检测模型烟囱口污染物体积浓度；qm为检测模型烟气预设时间内的总释放量；q
p
为待测区域实际烟气预设时间内的总释放量；优选的，qm为检测模型烟气1小时内的总释放量；q
p
为待测区域实际烟气1小时内的总释放量。
[0045]
本实施例采用低速风洞，风洞实验段长度在20米以上，宽和高都在2米以上，相应的雷诺数(re数)在104量级以上。
[0046]
风速测量的具体过程为：风速可根据实验需求确定，本实施例采用待测区域实际地形特征的多年平均风速，同时考虑一种较低的风速和更高的风速，即至少考虑三种类型的风速。风速廓线的测量使用tsi-ifa300热线(膜)风速仪，测量前用其自备的校正单元(射流风洞)进行校正。速度信号经带a/d板转换由计算机采样并进行处理。来流的监视使用tsi便携式风速仪。热膜探头电压和风速的转换用king公式：e2＝e
02
+aub式中，e表示电压，e0表示风速为零时的电压，u表示风速，a和b为拟合的参数；探头电压和风速的关系也可以直接使用多项式拟合。
[0047]
本实施例中，风速测量主要是进行自由流前方来流的确定。将热线置于释放源附近，离地表10mm(相当于现场10m)高，记录当地风速与前方来流的对应关系，找到需要设置的风洞前方自由流风速及相应风机转速；8种风向：n、ne、e、se、s、sw、w、nw，通过转动风洞中的物理模型方位，代替风向的变化。
[0048]
实验检测浓度的测量，使用相应的示踪气体检测仪。其中选择有害气体硫化氢扩散；浓度测量时选择分子量与硫化氢借机浓度乙烯作为示踪气，使用eranntex ms600光离
子乙烯检测仪；仪器量程0-2000ppm，显示最小浓度1ppm。
[0049]
进一步的，根据以下方式确定实验检测浓度与选定的浓度危害阈值相匹配：
[0050]
根据选定的实验检测浓度，利用实验检测浓度与待测区域实际地形特征的实际检测浓度之间的对应关系，得到选定的实验检测浓度对应的待测区域实际地形特征的实际检测浓度，若该实际检测浓度与选定的浓度危害阈值相等，则确定该实际检测浓度对应的实验检测浓度与选定的浓度危害阈值相匹配。
[0051][0052]
表1危险气体影响阈值说明表
[0053]
如危险气体影响阈值说明表，根据所要分析的危险气体，选定不同的影响阈值ccritical；本实施例选用小时致死浓度200ppm。
[0054]
可选的，在将实验检测浓度与选定的浓度危害阈值进行比较之前，该测定方法还包括：将所述实验污染检测浓度进行规整化处理。具体的，选用“四舍六入五留双”的修约规则取值，其中“四”是指统计的采样浓度c0的个位数≤4时舍去，"六"是指c0的个位数≥6时进上，"五"指的是根据5后面的数字来定：5前为奇数，舍5入1；5前为偶数，舍5不进(0是偶数)。具体如
[0055]
表2所示的整理对比表。
[0056][0057]
表2初始浓度c
initial
[0058]
可选的，所述根据第一扩散位置确定与选定的浓度危害阈值相匹配的危险气体扩散危害区域，包括：运用聚类算法对第一扩散位置进行修正，去除第一扩散位置中的偏离位置，得到修正后的扩散位置；将修正后的扩散位置所在区域的边缘点运用插值样条曲线绘制边缘线，确定修正后的扩散位置所在区域的边缘位置。具体的，聚类算法可以选用现有的k-means聚类。
[0059]
首先将所有初始扩散位置中根据风向的区域进行区域划分，并随机初始化划分各自的中心点位置。中心点位置是与区域内其他位置点向量长度相同的位置。计算每个数据点到中心点的距离，数据点距离哪个区域中心点最近就划分到哪一区域中，然后重新计算每一区域中中心点位置作为新的位置中心点位置。重复以上步骤，直到每一区域中心位置在每次迭代后变化不大为止。也可以多次随机初始化中心点，然后选择运行结果最好的一
个作为优化中心；然后去除距离优化中心距离大于预设值的点，得到初始扩散位置的修正区域。最后将修正区域的边缘点具体采用插值样条曲线连接相邻的边缘点。如图2中的边缘点代表同种浓度在所有风向下的的最远坐标值，从而确定了小时致死浓度200ppm的扩散区域。
[0060]
与上述测定方法对应的，本发明还提供一种危险气体扩散危害区域测定系统，所述测定系统包括：
[0061]
获取模块，用于获取在污染源释放条件下风洞中设定检测点在不同风向作用下的污染实验检测浓度，所述风洞内设置有与待测区域实际地形特征对应的检测模型；
[0062]
处理模块，用于将获取的实验检测浓度分别与选定的浓度危害阈值比较，将与选定的浓度危害阈值相匹配的实验检测浓度对应的设定检测点的位置作为第一扩散位置；根据所述第一扩散位置确定与选定的浓度危害阈值相匹配的危险气体扩散危害区域。
[0063]
可选的，所述处理模块根据以下方式确定实验检测浓度与选定的浓度危害阈值相匹配：
[0064]
根据选定的实验检测浓度，利用实验检测浓度与待测区域实际地形特征的实际检测浓度之间的对应关系，得到选定的实验检测浓度对应的待测区域实际地形特征的实际检测浓度，若该实际检测浓度与选定的浓度危害阈值相等，则确定该实际检测浓度对应的实验检测浓度与选定的浓度危害阈值相匹配。
[0065]
可选的，所述实验检测浓度与待测区域实际地形特征的实际检测浓度之间的对应关系为：
[0066][0067]
其中，c
p
为待测区域实际地形特征的实际检测浓度；cm为实验检测浓度；u
p
为待测区域原型气体实际扩散的特征速度；um为检测模型所在区域的气体扩散的特征速度；σ
ym
为检测模型下风向在模型中距离泄漏源x处的水平扩散参数；σ
yp
为待测区域实际下风向在模型中距离泄漏源x处的水平扩散参数；σzm为模型下风向在模型中距离泄漏源x处的垂直扩散参数；σz
p
为待测区域实际下风向中距离原型泄漏源x处的垂直扩散参数；c
op
为待测区域内实际烟囱口污染物体积浓度；c
om
为检测模型烟囱口污染物体积浓度；qm为检测模型烟气预设时间内的总释放量；q
p
为待测区域实际烟气预设时间内的总释放量。优选的，qm为检测模型烟气1小时内的总释放量；q
p
为待测区域实际烟气1小时内的总释放量。
[0068]
可选的，所述处理模块还用于在将实验检测浓度与选定的浓度危害阈值进行比较之前，将所述实验污染检测浓度进行规整化处理。
[0069]
可选的，所述根据第一扩散位置确定与选定的浓度危害阈值相匹配的危险气体扩散危害区域，包括：
[0070]
运用聚类算法对第一扩散位置进行修正，去除第一扩散位置中的偏离位置，得到修正后的扩散位置；
[0071]
将修正后的扩散位置所在区域的边缘点运用插值样条曲线绘制边缘线，确定修正后的扩散位置所在区域的边缘位置。
[0072]
现有的相关风洞实验主要为飞行器设计参数测试、实验装置设计、建筑物对环境污染物扩散特性影响等方面。主要集中于空气动力学和环境污染方面，没有涉及气体扩散
危害区域研究。本实施例中风洞实验由于其准确性高、重复性好的特点，可用于有效确定不同气象条件和复杂地形条件下危险气体的浓度分布和影响距离。
[0073]
本领域技术人员可以理解实现上述实施方式的方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0074]
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0075]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。