CN103793591A - 一种基于网格化毒气扩散模拟的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于网格化毒气扩散模拟的方法，其特征在于，基于区域网格划分技术及高斯烟团模型，综合储罐泄露速度、有效源高（泄露高度），以及风向、风速、环境稳定级多因素变化，研究区域内一个或多个储罐中有毒有害物在连续时间内浓度分布规律。主要包括首先，以储罐为中心，将研究区域网格化为若干单元作为定量研究和叠加的基础；然后，运用高斯烟团理论构建有毒有害物的泄露扩散浓度分布模型；最后，结合单泄露源和多泄露源条件，给出有毒有害物连续性扩散算法，即根据任影响因素的变化来划分时间段，按时间顺序，结合浓度叠加效应，基于Matlab模拟区域内有毒有害物浓度过程。本发明可有效地为工业化工园区复杂条件下，有毒有害物突发性泄漏事故应急决策提供理论支持。可广泛用于化工园区规划和应急事故处理。
Description
技术领域
本发明涉及 化工园区毒气扩散研究， 特别是涉及 基于网格化毒气扩散模拟的方法。
背景技术
城市化工园区生产、储存、运输着大量易燃、易爆、有毒的危险化学品。园区内化学储罐多，种类繁杂，安全性脆弱，一旦发生泄漏事故，大量的有毒、易挥发、易燃性物质迅速释放到大气中，会形成气云并逐渐扩散，将对周围人员和环境造成巨大危害。更严重的是，有毒有害物质可能在很低的浓度下就会对人体造成伤害，从而酿成重大事故, 据统计2000年到2008年间，公安消防部分参与处置的化学灾害事故35438起，平均每周处置75起、每天处置11起。
目前，对化学工业园区有毒有害物扩散造成重特大事故的研究，主要集中在环境条件相对固定的单一危险源有害物质扩散区域浓度分析，而对由于单个储罐火灾爆炸事故诱发的多米诺连锁事故研究相对较少。基于以上考虑，重点研究多危险源事故期间，在泄漏量、环境平均风速、泄漏时间、有效源高、环境稳定等级及风向等影响因素耦合作用条件下，区域内有害物质连续扩散浓度分布情况。运用Matlab技术，研究多因素多储罐高斯烟团模型的修正问题，通过模型修正设计、分析、叠加等技术手段，找出灾变时期储罐区域有毒有害物质浓度分布规律，实现对整个区域进行合理规划设计，达成有效的事故应急救援方案。
发明内容
针对化工园区毒气泄漏问题，对于其模拟方面存在的问题，本发明提出一种基于网格化毒气扩散模拟的方法。
1. 网格划分理论及高斯烟团模型改造
化工园区有害物扩散浓度模拟的目的是给出区域内各位置有害物浓度大小。为计算需要，将研究区域进行网格化，即将评价区域划分成等步长正方形网格，以m×n二矩阵表示这个笛卡尔坐标系下二维空间。首先计算区域内各单元的有害物浓度，然后进行叠加，其余网格坐标值[x,y]通过离散与内插计算得到。对于步长的选择可根据区域大小、制图精度和实际需要等进行调整。一般步长选择25～300m较为合适，步长的大小直接影响评价结果的精度，步长越小则精度越高，但计算相对耗时。
基础模型为高斯烟团模型为瞬时泄漏模型,其数学模型为：
(1)
式中，x,y,z分别为距区域中心点的距离，单位m；C为泄漏物质在大气中的摩尔百分比浓度(mg/m3)；Q为泄漏量(kg)；u为环境平均风速(m/s)；t为泄漏时间(s)；H为有效源高(m)；x、y、z为预测点坐标(m)；δx、δy、δz分别为x、y、z方向上的扩散系数(m)。
使用的计算瞬时泄漏的公式是对公式1进行改造，具体方法通过编程实现，公式说明如下：
式中，与上式字母相同的含义相同；EC表示环境稳定等级，可按风速的大小划分为A-F6个等级；IA表示下风向与分析区域X轴正向的夹角；
表示泄漏量的返回值，该返回值对应在该泄漏过程后分析区域每个网格内的有害物质浓度，研究区域为正方形，m=n。
2. 有害物连续性扩散算法
对于单一危险源泄漏的解决方案：设某一时段t1，设
不变，那么对于单一泄漏源A运用公式（2）可得到经过时段t1后的
。在下一时段t2时，如果其中之一有变化，那么对于继续泄漏的单一危险源A重新根据公式（2）计算，得到
。但是在t2时间段内，
中每个单元内的有害气体在u, EC, IA, H条件下都产生扩散，在这种情况下设
得到扩散后的有害物的浓度矩阵。
故此，在t2时段末时刻，单一危险源A造成该研究区域内有害物浓度矩阵为
以此类推，可通过计算时段t3的
和
得到
对于多个危险源泄漏，可看作由于多米诺效应，次生新的泄漏点。新的泄漏源的有害物泄露浓度融入原始泄漏浓度中。
在上数情况下，t3时间段初期，有新危险源B开始泄漏，计算
。经过该时间段后的研究区域泄漏浓度为
t4时间段结束后的浓度
附图说明
图1 1800s时区域有害物等值曲线
图2 2100s时区域有害物等值曲线
图3 扩散源A、B相对位置示意图
图4 1800s时区域有害物等值曲线
图5 2100s时区域有害物等值曲线
注：图4、图5中的等值浓度曲线的分别与图1、图2上等值浓度曲线的浓度值相等。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合使用到的相关理论和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。并通过MATLAB实现。
1 单一危险源计算
根据所研究区域为4000m×4000m的实际，结合环境条件，将该区域划分为10m×10m的网格单元，有毒有害物泄漏源设在区域中心，坐标为（0, 0）。泄漏过程如下，第一阶段：泄漏时间为0~1800s，风向向北（X轴负向），风速1m/s；第二阶段：泄漏时间为1800~2100s，风向向东（Y轴正向）风速1m/s，环境稳定等级为A（在程序中对应数字1）。这里针对地面z=2m高平面，进行区域有害物浓度分析，使用Matlab对上述过程进行模拟得到第一阶段末和第二阶段末的区域有害物浓度图分别如图1和图2所示。
由图1所示，1800s时的区域有害物质浓度分布情况，从图中可以看出在下风向，有害物质浓度扇型扩散，由于风速不大扇形展开角度较大。图中等值曲线之间差值并不相同（主要考虑到便于看清曲线），越靠近中线的浓度越大。这与已有的对气体扩散的研究和模拟的结果基本相同，证明了本模型的正确性。
从图2看出，本图其实由两部分组成，一是该危险源在1800s~2100s扩散后形成的有害物浓度分布，二是危险源在0~1800s后形成的有害物分布在1800s~2100s内扩散后的有害物浓度分布，这两个相叠加即为2100s时整个区域的浓度分布情况。该分布符合在指定条件下的气体扩散的实际情况。
2 多危险源计算
在上述区域内在设置一危险源（扩散源）B，原有危险源（扩散源）设为A，两危险源的参数除位置外（位置关系如图3所示），其余相同，同样经历上述2100s过程，得到的浓度分布模拟结果如图4和5所示。
当有多个扩散源时，在本例中，两扩散源距离较远，且扩散浓度不大，在扩散过程中相互影响较小，所以图4和图5实质是两个扩散源在分别经历1800s和2100s过程后各自扩散得到的浓度相互叠加形成的。
Claims (4)
1.一种基于网格化毒气扩散模拟的方法， 其特征在于， 基于区域网格划分技术及高斯烟团模型改造，综合储罐泄露速度、有效源高（泄露高度），以及风向、风速、环境稳定级多因素变化，确定区域内一个或多个储罐中有毒有害物在连续时间内浓度分布规律， 其包括如下步骤： 首先，以储罐为中心，将研究区域网格化为若干单元作为定量研究和叠加的基础；然后，运用高斯烟团理论构建有毒有害物的泄露扩散浓度分布模型；最后，结合单泄露源和多泄露源条件，给出有毒有害物连续性扩散算法，即根据任影响因素的变化来划分时间段，按时间顺序，结合浓度叠加效应，基于Matlab模拟区域内有毒有害物浓度过程， 本发明 可有效地为工业化工园区复杂条件下，有毒有害物突发性泄漏事故应急决策提供理论支持。
2. 根据权利要求1所述的区域网格划分技术，其特征在于， 化工园区有害物扩散浓度模拟的目的是给出区域内各位置有害物浓度大小，为计算需要，将研究区域进行网格化，即将评价区域划分成等步长正方形网格，以m×n且m=n二矩阵表示这个笛卡尔坐标系下二维空间，首先计算区域内各单元的有害物浓度，然后进行叠加，其余网格坐标值[x,y]通过离散与内插计算得到；对于步长的选择可根据区域大小、制图精度和实际需要等进行调整；一般步长选择25～300m。
3. 根据权利要求1所述的高斯烟团模型改造，其特征在于， 使用的计算瞬时泄漏的公式是对高斯烟团模型的改造，具体方法通过编程实现，公式说明如下：
式中，与上式字母相同的含义相同；EC表示环境稳定等级，可按风速的大小划分为A-F6个等级；IA表示下风向与分析区域X轴正向的夹角；
表示泄漏量的返回值，该返回值对应在该泄漏过程后分析区域每个网格内的有害物质浓度，研究区域为正方形，m=n。
4. 根据权利要求1所述的单泄露源模拟，其特征在于， 对于单一危险源泄漏的解决方案：设某一时段t1，设不变，那么对于单一泄漏源A运用公式（2）可得到经过时段t1后的
，在下一时段t2时，如果其中之一有变化，那么对于继续泄漏的单一危险源A重新根据公式（2）计算，得到，但是在t2时间段内，
中每个单元内的有害气体在u, EC, IA, H条件下都产生扩散，在这种情况下设：
得到扩散后的有害物的浓度矩阵，故此，在t2时段末时刻，单一危险源A造成该研究区域内有害物浓度矩阵为：
以此类推，可通过计算时段t3的
和得到：
根据权利要求1所述的多泄露源模拟，其特征在于， 对于多个危险源泄漏，可看作由于多米诺效应，次生新的泄漏点，新的泄漏源的有害物泄露浓度融入原始泄漏浓度中，在上数情况下，t3时间段初期，有新危险源B开始泄漏，计算
，经过该时间段后的研究区域泄漏浓度为：
t4时间段结束后的浓度：
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