CN109840374B - Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法和装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法，获取事故源信息与环境信息，并对事故源信息与环境信息进行收集；对收集过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作；将优化后的参数输入至Calpuff模型中，获取重质气体浓度场结果。该方法经过排放高度和沉降速度两个参数优化后的Calpuff模型，能够适用于模拟重质气体的迁移扩散，从而能够更方便快速的对重质气体的泄漏事故进行动态模拟；提出的参数优化的公式里面的参数均比较容易获取，从而能够在泄漏事故中以较短的时间内搜集到必须的数据，以实现泄漏事故的动态模拟。本公开还提供了一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进装置。

Description

Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法和装置

技术领域

本公开涉及本发明涉及重质气体泄漏扩散的动态模拟技术领域，具体而言，涉及一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法和装置。

背景技术

近年来，与化工园区相关的环境风险事件频发，使生命财产安全蒙受巨大损失。化工园区内泄漏事故多为重质气体，由于其特殊的物理特性，泄漏之后会在重力作用下沉降，并迅速在地面附近形成重质气团，沿地面向下风向扩散浓度集中区域高度与人呼吸高度相近，更容易被人吸入体内，造成健康危害。重质气体扩散过程分为四个阶段：初始阶段：物质从容器泄漏出，形成气云后在本身的惯性力和外界风速的作用下，上升变形；重力沉降阶段和空气卷吸阶段：当气云初始动量消失后，重力占主导地位。由于云团与周围空气间的密度差，导致重质气体塌陷，沿地表面拓展，引起云团厚度的降低和径向尺寸的增大，而在大气湍流的作用下外界空气进入云团，即空气卷吸，云团被稀释，同时由于初始泄漏云团与周围环境的温度差异而进行热量交换；非重质气体扩散转变：随着云团的稀释冲淡，重质气体效应逐渐消失，重质气体扩散转变为非重质气体扩散；大气湍流扩散阶段(被动扩散)：即大气湍流对云团的扩散起支配作用。上述过程中第一阶段和第二阶段重质气体有别于其他气体，第三阶段和第四阶段由于重质气体已经被稀释，和其他气体特性一致。

Calpuff模型是一个用来模拟不稳定状态的多层、多物种污染的高斯型烟团扩散模式，它适用于模拟时空都在变化的气象条件下污染物的迁移、转化和清除。它考虑了复杂地形的影响，海岸的交界影响，建筑物的下洗影响，干湿沉降以及简单的化学转化，可以计算出在预设点的浓度和沉降量。但是，目前的Calpuff模型具有一定的限制性：针对重质气体扩散的第一阶段： Calpuff模型在计算气态污染物排放高度的时候，会考虑污染物由于温度小于空气温度造成一定程度上的抬升，但是对于重质气体，从容器泄漏出后，形成气云在本身的惯性力和外界风速的作用下，上升变形，Calpuff模型无法模拟这种特性；针对重质气体扩散的第二阶段：Calpuff模型在计算完气体的抬升之后，将污染物气团密度看作与空气密度相当，污染物气团随大气迁移扩散，但是对于重质气体，由于重质气体云团大于周围空气间的密度，导致重质气体向下塌陷，Calpuff模型无法模拟这种特性。

发明内容

为了解决现有技术中的技术问题，本公开针对不同特征的重质气体，对 Calpuff模型的参数进行调整，使得Calpuff能够实现模拟重质气体迁移扩散。即本公开实施例提供了一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法和装置，获取事故源信息与环境信息，并对事故源信息与环境信息进行收集；对收集过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作；将优化后的参数输入至Calpuff模型中，获取重质气体浓度场结果。经过排放高度和沉降速度两个参数优化后的Calpuff模型，能够适用于模拟重质气体的迁移扩散，从而能够更方便快速的对重质气体的泄漏事故进行动态模拟；提出的参数优化的公式里面的参数均比较容易获取，从而能够在泄漏事故中以较短的时间内搜集到必须的数据，以实现泄漏事故的动态模拟。

第一方面，本公开实施例提供了一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法，包括以下步骤：获取事故源信息与环境信息，并对所述事故源信息与所述环境信息进行收集；对收集过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作；将优化后的参数输入至Calpuff模型中，获取重质气体浓度场结果。

在其中一个实施例中，所述事故源信息包括：重质气体的排放高度、重质气体的排放温度、重质气体的排放速度以及重质气体的排放量。

在其中一个实施例中，所述环境信息包括：环境风速、莫氏长度、摩擦速度、季节/下垫面。

在其中一个实施例中，所述对收集与预处理过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作包括：针对重质气体计算浮力通量以及针对重质气体计算下降的排放高度。

在其中一个实施例中，所述对收集与预处理过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作还包括：

根据重质气体的泄漏源参数，通过第一预设公式计算排放高度减小值，其中，所述第一预设公式为：

其中，H_s为实际排放高度(m)，u为环境风速(m/s)，α当温度差大于100K时为0.4，温度差小于100K时为0.8，ΔH为由于重质气体造成的上升变形的高度变化值；

通过第二预设公式计算Calpuff模型中的排放高度的输入值，其中，所述第二预设公式为：H_i＝H_s-ΔH；

其中，H_s为实际排放高度(m)，H_i为Calpuff模型中输入的排放高度 (m)，且若计算出来H_i＜0，则H_i＝0；

根据第三预设公式计算浮力通量，其中，所述第三预设公式为：

其中，V_s为排放出口处烟气排放速率(m/s)，g为重力加速度(m/s²)，T_s为烟气出口温度(K)，T_a为环境大气温度(K)，ΔH为由于重质气体造成的上升变形的高度变化。

在其中一个实施例中，所述对收集与预处理过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作还包括：

根据所述环境信息，基于第四预设公式计算气体的沉降速度，计算的沉降速度V_d作为Calpuff模型中的气体干沉降速度的输入值，所述第四预设公式为：

其中，R_a——湍流层空气动力学阻力，R_b——准层流副层阻力；R_a是由湍流运动引起的污染物从大气输送至地面附近时受到的阻力，根据近地层由污染物的质量输送和热量输送类似的假定获取第五预设公式，其中，所述第五预设公式为：

其中，Z_r是计算V_d时选择的参考高度(m)，U_a是摩擦速度(m/s)，k是 Von Karman常数，取0.4，Z₀是下垫面的粗糙度长，由局地地形特征经验地获得(m)，ψ_c为与质量通量有关的稳定度修正函数，

其中，

1/L是Monin-Obukhov长度的倒数(1/m)；

R_b是污染物向地表沉积时经过近地面片流层所受的阻力，其和通过与地表相接的类片流层的传输相关联；

其中，U_a是摩擦速度(m/s)，k是Von Karman常数，取0.4，P_r为Prandtl 数，取值0.72，S_c为Schmidt数，S_c＝μ₀/D_i，μ₀为空气运动粘度，取值0.15cm²s-¹，D_i为与组分相关的第1种污染物的分子扩散度。

在其中一个实施例中，还包括：通过判断多个季节多个下垫面类型获取受体表面阻力。

第二方面，本公开实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。

第三方面，本公开实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的方法的步骤。

第四方面，本公开实施例提供了一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进装置，所述装置包括：获取与收集模块，用于获取事故源信息与环境信息，并对所述事故源信息与所述环境信息进行收集；优化模块，用于对收集过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作；结果获取模块，用于将优化后的参数输入至Calpuff模型中，获取重质气体浓度场结果。

本发明提供的一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法和装置，获取事故源信息与环境信息，并对事故源信息与环境信息进行收集；对收集过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作；将优化后的参数输入至Calpuff模型中，获取重质气体浓度场结果。该方法经过排放高度和沉降速度两个参数优化后的Calpuff模型，能够适用于模拟重质气体的迁移扩散，从而能够更方便快速的对重质气体的泄漏事故进行动态模拟；提出的参数优化的公式里面的参数均比较容易获取，从而能够在泄漏事故中以较短的时间内搜集到必须的数据，以实现泄漏事故的动态模拟。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍：

图1为本发明一个实施例中的一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法的步骤流程示意图；

图2为本发明另一实施例中的一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法的步骤流程示意图；

图3为本发明一个实施例中的一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法中的下风向中心线上最大时均浓度变化示意图；

图4为本发明一个实施例中的一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法中的下风向地面时均浓度场示意图；

图5为本发明一个实施例中的一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请进行进一步的详细介绍。

在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本公开的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/ 或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本申请也应视为包括含有A、B、C、D 的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法和装置的具体实施方式进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为一个实施例中的一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法的流程示意图，具体包括以下步骤：

步骤102，获取事故源信息与环境信息，并对事故源信息与环境信息进行收集。具体的，事故源信息包括：重质气体的排放高度、重质气体的排放温度、重质气体的排放速度以及重质气体的排放量。由此，提高了针对重质气体的事故源信息获取的多样性与选择性。此外，环境信息包括：环境风速、莫氏长度、摩擦速度、季节/下垫面。由此，提高了环境信息的多选择性。

步骤104，对收集过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作。需要说明的是，排放高度参数优化包括：计算浮力通量以及计算下降的排放高度；沉降速度参数优化包括：计算湍流运动阻力、计算近地面阻力以及计算受体表面阻力。具体的，对收集与预处理过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作包括：针对重质气体计算浮力通量以及针对重质气体计算下降的排放高度。

进一步地，对收集与预处理过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作还包括：

根据重质气体的泄漏源参数，通过第一预设公式计算排放高度减小值，其中，所述第一预设公式为：

其中，H_s为实际排放高度(m)，u为环境风速(m/s)，α当温度差大于100K时为0.4，温度差小于100K时为0.8，ΔH为由于重质气体造成的上升变形的高度变化值；

通过第二预设公式计算Calpuff模型中的排放高度的输入值，其中，所述第二预设公式为：H_i＝H_s-ΔH；

其中，H_s为实际排放高度(m)，H_i为Calpuff模型中输入的排放高度 (m)，且若计算出来H_i＜0，则H_i＝0；

根据第三预设公式计算浮力通量，其中，所述第三预设公式为：

其中，V_s为排放出口处烟气排放速率(m/s)，g为重力加速度(m/s²)，T_s为烟气出口温度(K)，T_a为环境大气温度(K)，ΔH为由于重质气体造成的上升变形的高度变化。

更进一步地，对收集与预处理过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作还包括：

根据环境信息，基于第四预设公式计算气体的沉降速度，计算的沉降速度V_d作为Calpuff模型中的气体干沉降速度的输入值，第四预设公式为：

其中，R_a——湍流层空气动力学阻力，R_b——准层流副层阻力；R_a是由湍流运动引起的污染物从大气输送至地面附近时受到的阻力，根据近地层由污染物的质量输送和热量输送类似的假定获取第五预设公式，其中，所述第五预设公式为：

其中，Z_r是计算V_d时选择的参考高度(m)，U_a是摩擦速度(m/s)，k是 Von Karman常数，取0.4，Z₀是下垫面的粗糙度长，由局地地形特征经验地获得(m)，ψ_c为与质量通量有关的稳定度修正函数，

其中，

1/L是Monin-Obukhov长度的倒数(1/m)；

R_b是污染物向地表沉积时经过近地面片流层所受的阻力，其和通过与地表相接的类片流层的传输相关联；

其中，U_a是摩擦速度(m/s)，k是Von Karman常数，取0.4，P_r为Prandtl 数，取值0.72，S_c为Schmidt数，S_c＝μ₀/D_i，μ₀为空气运动粘度，取值0.15cm²s^-1，D_i为与组分相关的第1种污染物的分子扩散度。

此外，还需要说明的是，本公开所涉及的Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法还包括：通过判断多个季节多个下垫面类型获取受体表面阻力。

步骤106，将优化后的参数输入至Calpuff模型中，获取重质气体浓度场结果。

本发明提供的一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法，获取事故源信息与环境信息，并对事故源信息与环境信息进行收集；对收集过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作；将优化后的参数输入至 Calpuff模型中，获取重质气体浓度场结果。该方法经过排放高度和沉降速度两个参数优化后的Calpuff模型，能够适用于模拟重质气体的迁移扩散，从而能够更方便快速的对重质气体的泄漏事故进行动态模拟；提出的参数优化的公式里面的参数均比较容易获取，从而能够在泄漏事故中以较短的时间内搜集到必须的数据，以实现泄漏事故的动态模拟。

为了更精准、灵活地理解与运用本公开所提出的一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法，进行以下示例。需要说明的是，本公开所保护的范围不限于以下示例。

需要说明的是，通常气体的Schmidt和Prandtl数与分子量相关，具体参考表1，即表1为几种气体的Schmidt和Prandtl数及相对于水分子扩散系数比率。

此外，还需要说明的是，R_c是受体表面阻力，包含其他多种阻力，通常通过判断不同季节不同下垫面类型获得。如表2所示意。表2各种下垫面沉积时所受到的表面阻力。

具体的，结合图2-4所示，2005年3月29日18时50分，一辆载有液氯的槽罐车在京沪高速江苏淮安段与一辆卡车相撞导致罐内液氯大量泄漏，影响到附近2个县区，造成人中毒死亡，350人重伤，270人轻伤，疏散人数达15000 余人，事故后果极为严重。据判断该起事故中氯气发生连续性泄漏，泄漏速率为0.98kg/s，当地气象条件为风力3级，风速3.8m/s，大气稳定度等级为C 级或D级，气温12℃。首先，进行排放高度计算，即根据现场收集到的参数。

首先计算浮力通量F_b：

然后计算由于重质气体导致的排放高度减少量ΔH；即ΔH＝0.5×0.17^0.4×1^0.6×2²³＝0.39。则经过参数优化的排放高度H_i＝H_s-ΔH＝1-0.39＝0.61。

进一步地，进行沉降速度计算，即根据现场收集到的参数，首先计算由湍流运动引起的污染物从大气输送至地面附近时受到的阻力R_a：

然后计算污染物向地表沉积时经过近地面片流层所受的阻力R_b，即

再根据现场季节及下垫面类型判断受体表面阻力R_c； R_c＝0。最后计算重质气体干沉降速度V_d，即

综上，Calpuff计算结果及与实测结果对比，即将上述计算的排放高度和沉降速度作为Calpuff模型参数输入，最终得到本次泄漏事故液氯的浓度场。对比实测浓度、改进前、改进后Calpuff的计算浓度可以发现，改进后后Calpuff 更接近实测浓度，而改进后Calpuff浓度仍高于实测浓度主要有具体以下说明。不同的监测吋间、监测方法、监测人员等造成的测量误差；实际过程中，气象场处于不断变化，因此液氯实际上会向各种方向扩散，而由于缺少实测气象资料，Calpuff模型中使用的是单一的气象场，因此液氯只会向某一个方向迁移扩散，因此导致液氯较集中，从而浓度较高；图3为统计的浓度为下风向中心线处浓度，而实际监测位置不一定恰好在下风向处，从附图4可以看到，偏离下风向越远其浓度越低，因此可能导致监测值小于模拟值；泄漏事故中某些参数的不明确，如泄漏面积、储罐最终是否得到了有效控制、实际发生的泄漏量为多大等对模拟结果也会产生影响。综上，通过本公开的改进方法，能够使得Calpuff对于重质气体的模拟精度大大提高。

综上可知，本发明公开了一种基于Calpuff模型模拟重质气体的改进方法，提出由于重质气体导致的排放高度下降的计算公式，对Calpuff模型的输入参数排放高度和干沉降速度进行参数优化，最后利用Calpuff模型动态模拟重质气体的迁移扩散。试验结果表明：该算法能很好的模拟出重质气体迁移扩散特性。本公开通过一种算法，针对不同特征的重质气体，对Calpuff 模型的参数进行调整，使得Calpuff能够实现模拟重质气体迁移扩散。对 Calpuff模型中排放高度和沉降速度两个参数进行优化，以实现Calpuff模型对于重质气体的模拟。此外，由于重质气体导致的排放高度减少的第一预设公式为Calpuff模型排放高度参数优化提供基础。

基于同一发明构思，还提供了一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进装置。由于此装置解决问题的原理与前述一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法相似，因此，该装置的实施可以按照前述方法的具体步骤实现，重复之处不再赘述。

如图5所示，为一个实施例中的一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进装置的结构示意图。该Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进装置 10包括：获取与收集模块200、优化模块400和结果获取模块600。

其中，获取与收集模块200用于获取事故源信息与环境信息，并对事故源信息与环境信息进行收集；优化模块400用于对收集过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作；结果获取模块600用于将优化后的参数输入至Calpuff模型中，获取重质气体浓度场结果。

本发明提供的一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进装置，首先通过获取与收集模块获取事故源信息与环境信息，并对事故源信息与环境信息进行收集；再通过优化模块对收集过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作；最终通过结果获取模块将优化后的参数输入至Calpuff模型中，获取重质气体浓度场结果。该装置经过排放高度和沉降速度两个参数优化后的Calpuff模型，能够适用于模拟重质气体的迁移扩散，从而能够更方便快速的对重质气体的泄漏事故进行动态模拟；提出的参数优化的公式里面的参数均比较容易获取，从而能够在泄漏事故中以较短的时间内搜集到必须的数据，以实现泄漏事故的动态模拟。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被图1和图2中处理器执行。本发明实施例还提供了一种包含指令的计算机程序产品。当该计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行上述图1和图2的方法。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体 (Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory， RAM)等。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。为了示例和描述的目的已经给出了以上描述。此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (2)

1.一种Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取事故源信息与环境信息，并对所述事故源信息与所述环境信息进行收集；

对收集过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作；

将优化后的参数输入至Calpuff模型中，获取重质气体浓度场结果；

其中，所述事故源信息包括：重质气体的排放高度、重质气体的排放温度、重质气体的排放速度以及重质气体的排放量；

其中，所述环境信息包括：环境风速、莫氏长度、摩擦速度、季节/下垫面；

其中，所述对收集与预处理过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作包括：针对重质气体计算浮力通量以及针对重质气体计算下降的排放高度；

其中，所述对收集与预处理过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作还包括：

根据重质气体的泄漏源参数，通过第一预设公式计算排放高度减小值，其中，所述第一预设公式为：

其中，H_s为实际排放高度，u为环境风速，α当温度差大于100K时为0.4，温度差小于100K时为0.8，ΔH为由于重质气体造成的上升变形的高度变化值；

通过第二预设公式计算Calpuff模型中的排放高度的输入值，其中，所述第二预设公式为：H_i＝H_s-ΔH；

其中，H_s为实际排放高度，H_i为Calpuff模型中输入的排放高度，且若计算出来H_i＜0，则H_i＝0；

根据第三预设公式计算浮力通量，其中，所述第三预设公式为：

其中，V_s为排放出口处烟气排放速率，g为重力加速度，T_s为烟气出口温度，T_a为环境大气温度，ΔH为由于重质气体造成的上升变形的高度变化；

其中，所述对收集与预处理过程中的排放高度参数与沉降速度参数进行优化操作还包括：

根据所述环境信息，基于第四预设公式计算气体的沉降速度，计算的沉降速度V_d作为Calpuff模型中的气体干沉降速度的输入值，所述第四预设公式为：

其中，R_a——湍流层空气动力学阻力，R_b——准层流副层阻力；R_a是由湍流运动引起的污染物从大气输送至地面附近时受到的阻力，根据近地层由污染物的质量输送和热量输送类似的假定获取第五预设公式，其中，所述第五预设公式为：

其中，Z_r是计算V_d时选择的参考高度，U_a是摩擦速度，k是Von Karman常数，取0.4，Z₀是下垫面的粗糙度长，由局地地形特征经验地获得，ψ_c为与质量通量有关的稳定度修正函数，

其中，

1/L是Monin-Obukhov长度的倒数；

R_b是污染物向地表沉积时经过近地面片流层所受的阻力，其和通过与地表相接的类片流层的传输相关联；

其中，U_a是摩擦速度，k是Von Karman常数，取0.4，P_r为Prandtl数，取值0.72，S_c为Schmidt数，S_c＝μ₀/D_i，μ₀为空气运动粘度，取值0.15cm²s^-1，D_i为与组分相关的第i种污染物的分子扩散系数。

2.根据权利要求1所述的Calpuff模型对重质气体扩散模拟的改进方法，其特征在于，还包括：通过判断多个季节多个下垫面类型获取受体表面阻力。

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