一种模拟重气在市内街道有风扩散的方法
【专利摘要】本发明公开了一种确定火灾中地铁车站结构受力情况的方法，其特征在于，于细胞自动机(AC)-气团模型对其扩散进行了模拟，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，确定了风在街区内的强度分布，并构造了边界接触条件，假设了模拟的市内环境，使用该模型在风速u=0.75m/s状态下模拟氨气扩散，并研究了不同时刻风进入街区对扩散的影响；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，风场分布的确定，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有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有风扩散的方法
【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有风状态下的重气扩散研究。
【背景技术】
[0002]城市的空气质量与人的生活密切相关，人们的生产和生活过程排放的污染物是造成城市大气污染的主要因素。特别是在市内街道由于运输或输送等原因造成的泄露，短时间内得不到有效的控制，加之城市垫面干、热、粗等特征，其复杂性导致城市的风环境及污染物扩散变得非常复杂。探讨复杂街区布局在风作用下的污染物扩散的机理和规律，对改善人们的生活环境有重要意义。
[0003]对于气体扩散的研究国内已有很多，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，并且也少见考虑风在街区内流动对重气扩散的影响。
[0004]针对上述问题，考虑将连续性的扩散云，分离成气团。提出了使用细胞自动机(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。考虑风的作用，对模型进行了改进。假设了模拟街区，模拟了在稳定风场条件下氨气扩散过过程；模拟了扩散过程中不同时刻来风对扩散分布的影响，其结果与实际扩散结果比较相近。
【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。
[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m/s ；xi和yi表示相对于扩散中心的气团的位置,单位m。
[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18所示公式。
[0008]式中S1、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19所示公式。
[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20所示公式。[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δ y，其表示在无风影响下的气体扩散特征，如图21所示公式。
[0013]式中，f(Sy)表示气团运动速度变化量AV是侧风向扩散系数Sy的函数，ε表示扩散速度的随机性，AVx和AVy分别表示Δ V在X和y方向的分量，单位m/s, Δ t表示上一时刻与本时刻的时间差。
[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22所示公式。
[0015]3气团运动速度变化量的改变量的确定 确定在影响半径D内的其他气团对第i个气团的影响。主要是判断AV的改变量，SP考虑浓度梯度的情况下，AV方向的改变和大的改变。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d。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相应的d的倒数，作为衡量作用大的无量纲标准。在A、B、C、D相应的d的指向O的延长线上按比例作A、B、C、D相应的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，η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]Λ V大的改变目前通过统计确定，即借鉴扩散系数Sy，AV=rSy，r为扩散调整系数，这样图22所示公式可改写为图23所示公式。
[0018]4风场分布的确定
设风速为Vf, Vfx和Vfy分别表示风场在X和y方向的分量,单位m/s。则图23所示公式可改写为图24所示公式。
[0019]5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25所示公式。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1方向改变量的确定过程。
[0021]图2市内街区设置。
[0022]图3模拟扩散过程，扩散次数=200。
[0023]图4模拟扩散过程，扩散次数=400。
[0024]图5模拟扩散过程，扩散次数=600。[0025]图6模拟扩散过程，扩散次数=800。
[0026]图7模拟扩散过程，扩散次数=1000。
[0027]图8模拟扩散过程，扩散次数=2000。
[0028]图9风在200步时刻进入街区2000次扩散的模拟结果。
[0029]图10风在400步时刻进入街区2000次扩散的模拟结果。
[0030]图11风在600步时刻进入街区2000次扩散的模拟结果。
[0031]图12风在800步时刻进入街区2000次扩散的模拟结果。
[0032]图13风在1000步时刻进入街区2000次扩散的模拟结果。
[0033]图14风在1200步时刻进入街区2000次扩散的模拟结果。
[0034]图15风在1400步时刻进入街区2000次扩散的模拟结果。
[0035]图16风在1600步时刻进入街区2000次扩散的模拟结果。
[0036]图17风在1800步时刻进入街区2000次扩散的模拟结果。
[0037]图18关于影响半径D的气团间作用判据。
[0038]图19确定影响半径D的模型公式。
[0039]图20基于自动机的气团扩散模型公式。
[0040]图21当气团处于Sf时的气团扩散状态模型公式。
[0041]图22当气团处于Sd时的气团扩散状态模型公式。
[0042]图23确定气团运动速度变化量的改变量的模型公式。
[0043]图24顾及风速条件下确定气团运动速度变化量的改变量的模型公式。
[0044]图25边界接触条件的模型公式。
【具体实施方式】
[0045]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。
[0046]参数的具体选择，设泄漏点的泄露速度为5kg/s,气团每个容量为0.1kg,5/0.1=50个气团每秒，又设每计算步10个气团，即相当于每个计算步的时间为0.2s。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。假设风速《=0.75m/s，风向如图2中从左向右。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，z=2m，认为C=0.1 kg/m3时浓度梯度的作用对AV的影响可以忽略，得到D=8.48m。ε的随机扩散范围是0.lm，360°。r取1.5，λ取1.2。对图2的假设建筑物场景进行重气扩散模拟。
[0047]图2表示风以?=0.75m/s的速度,通过研究区域时的稳定风场分布。由于建筑物表面对风的阻力，设风在通过街道时，风速为类抛物线分布，如图中A，B区。抛物线中间最长的箭头长度表示以该箭头的起点位置的风速度，全图箭头长度等比例；箭头的方向表示该箭头的起点位置的风的方向。当箭头线相交时，选择最近的且方向相同的节点合并成一条箭头线。箭头分开时，选择第一个进入岔路口的箭头位置为箭头线分开的位置。
[0048]I在稳定风场下氨气扩散过程的结果 当泄露前风场以稳定存在，扩散模拟过程如图31所示。
[0049]如图31所示，由于风场在扩散前达到稳定，所以风对扩散的作用始终都存在。
[0050]当扩散次数=200时，扩散点下方和右方的街道扩散浓度较小，扩散速度小于风速。扩散点左方在扩散速度和风的作用下，扩散的较快。扩散点上方由于相对于其他三个方向是大空间，泄露物质在这个方向的扩散量较大；同时根据图2，从狭窄街道进入该大空间的风速衰减较大，导致扩散物聚集，难以及时消散。
[0051]当扩散次数=400时，扩散点下方和右方的街道扩散浓度提高，风速对扩散在这两个方向仍有一定的制约作用。扩散点左方在扩散速度和风的作用下，加速扩散。扩散点上方大空间，泄露物质在这个方向的扩散继续累积，该位置风作用不足以驱散扩散物。
[0052]当扩散次数>600时，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。扩散点下方和右方的街道扩散浓度继续提高，但风速对扩散的作用下，这两个方向的扩散物浓度始终不大。扩散点左方在扩散速度和风的作用下，保持了稳定的扩散。扩散点上方大空间，泄露物质在这个空间内持续累积，如果风速不变，这个累积过程还将继续下去。需要说明的是模拟街区最左边建筑物左边外侧区域没有设置风场，因为一方面主要研究的是街区内的扩散，另一方面由于建筑物的阻碍使该区域的风场较小，所以该位置未设置风场。
[0053]2不同时刻来风对氨气扩散的影响 200步风进入
如图扩17所示，每个图的间隔200步，那么每个图中气团的位置变化为每个计算步的时间0.2s X风速0.75m/sX200步=30m，即每个图中气团的位置的间隔理论上为30m，但由于风在穿过建筑物时，能量的衰减，实际的风速减少，移动距离也减小。
[0054]图扩17表示了不同时间风进入街区，第2000步时的扩散情况。转换为时间图扩17分别表示，开始泄漏后，在408、808、1208、1608、2008、2408、2808、3208、3608时风进入街区的距扩散开始时400s的扩散情况。可见从图扩17，风对扩散的影响逐渐减小，这些现象符合实际的扩散规律，可见模型在一定程度上的正确定。
【权利要求】
1.一种模拟重气在市内街道有风扩散的方法，差藍于细胞自动机(AC)-气团模型对其扩散进行了模拟，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 (ViO，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，确定了风在街区内的强度分布，并构造了边界接触条件，假设了模拟的市内环境，使用该模型在风速《=0.75m/s状态下模拟氨气扩散，并研究了不同时刻风进入街区对扩散的影响;其包蕾勿70步..确定影响半径D，气团自动机模型，AV的改变量的确定，风场分布的确定，边界接触条件，设定模型建立参数，进行模拟;羞友巡市内街道布局复杂情况下有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，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18所示公式；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，模型如图19所示公式。
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，模型如图20所示公式；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δ y，其表示在无风影响下的气体扩散特征，模型如图21所示公式；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，模型如图22所示公式。
6.根据权利要求1所述的ΔV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△ V的改变量，即考虑浓度梯度的情况下，AV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d。
7.根据权利要求6所述的ΔV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相应的d的倒数，作为衡量作用大的无量纲标准，在A、B、C、D相应的d的指向O的延长线上按比例作A、B、C、D相应的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I。
8.根据权利要求6所沭的ΔV大小的改变，其特征在于，AV大的改变借鉴扩散系数δy, AV=rSy，r为扩散调整系数，根据不同情况取值，确定Λ V的模型公式如图23所示。
9.根据权利要求1所述的风场分布的确定，其特征在于，设风速为Vf，Vfx和Vfy分别表示风场在X和y方向的分量，单位m/s，在风作用下AV的计算模型如图24所示公式，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，模型如图25所示公式。
【文档编号】G06F19/00GK103544387SQ201310491053
【公开日】2014年1月29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, 吴作启 申请人:辽宁工程技术大学