CN115859861A - 基于城市环境影响下的变电站火灾大气污染扩散分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于城市环境影响下的变电站火灾大气污染扩散分析方法，包括如下步骤：S1、采用稳态k‑ε两方程模型结合组分输运方程对典型的双车道街道峡谷内的流场与变电站火灾大气污染物浓度场进行模拟；S2、进行数值模拟与污染物扩散验证；S3、在模拟的基础上建立典型市区特定区域污染物扩散CFD模型，同时确定实际参数，分析在不同来流风向及风速下污染物扩散情况；S4、选取经过S3获得的不同风向及风速区间，分别对风速场、污染物浓度场进行模拟得到不同风向角下污染物浓度极值及其区域，进而分析不同区域下污染物分布情况。本发明提供的分析方法能够全面且深入的对变电站火灾污染物的污染影响进行评价，为后续防范污染提供可参考的建议。
Description
技术领域
本发明具体涉及基于城市环境影响下的变电站火灾大气污染扩散分析方法，属于环境监测技术领域。
背景技术
随着全球城市化进程逐步加速，电力需求逐年增多，变电站作为电网中重要的一环，起到变换、分配电能的作用。变电站火灾产生并释放大量气体污染物，对人类的健康及居住环境产生重要影响。室外环境的气体污染物扩散实质上是一个多尺度和多学科的交叉问题。
近年来，国外广泛开展了基于计算流体力学的大气污染扩散模式及城市建筑群风场特性研究。Blocken等人归纳总结了微尺度下建筑环境内污染物的扩散规律；von Hoff等人利用CFD模拟某大型体育场的CO2的浓度衰减，考虑了流场中空气温度及湿度的影响；Hang等人通过对建筑阵列进行模拟，研究建筑高度，建筑间距等参数，指出对于高耸建筑，平均风比湍流扩散效果好，对于高度较低或行列数较多建筑，湍流扩散效果好；Salim等人针对城市中林荫道路所在的街道峡谷中的污染扩散情况，分别采用大涡模拟(LES)方法和雷诺平均(RANS)法进行模拟；Gu等人针对具有凹凸面高层建筑及非对称道路两旁建筑布局，利用LES方法进行污染扩散数值模拟，归纳主要影响因素，指出单体高层建筑能导致附近风速突然增大，产生壁面效应；Lateb等人利用数值模拟方法研究了由两栋建筑组成的建筑群间的污染扩散，网格划分质量的评价指标采用了网格收敛指标、典型单元网格尺寸、网格加密因子、相对误差，但计算域以外的建筑影响没有考虑，尾流区模拟误差较大。
目前，国内对于城市峡谷环境下的近地面污染源扩散模式进行的研究较多，王远飞等人对上海地区的街谷环境的气体污染扩散进行了初步的研究；黄远东等人对城市街道峡谷内污染物扩散分布的数值模拟进行了研究，包括湍流模型的选择，下垫面的影响及固体颗粒的影响等问题。国内有关大涡模式应用于污染扩散的数值模拟的研究是近年该方向的热点话题。蒋维楣等利用大涡模式对方形建筑物周围的风场进行了模拟，并在此基础上利用拉格朗日动力模式与大涡模式相结合；崔桂香等针对居民小区风场流动复杂的特点，利用大涡模式的方法以某实际住宅小区为例，分别计算了风场，污染物浓度等物理量分布，模拟结果与实测结果相一致。在已公开的专利中，申请号为CN201611267880.4的中国专利公开了“一种街道峡谷内污染物分布实时估计方法”，具体公开使用CFD与OSPM混合模型，及多组分污染物扩散模型，建立一个针对城市路网街道峡谷内污染物分布实时估计方法；申请号为CN201611267869.8的中国专利公开“一种基于CFD及多数据源的城市实时全局环境估计方法”，其中具体公开了利用CFD作为计算引擎，根据气象信息自适应切换环境质量模式，采用多尺度网格离散化城市模型，引入多组分污染模型，并考虑气象干湿沉降过程，建立一个针对城市全局空气环境质量实时估计方法，但是上述方案中公开的方法大多是只能得到有限的几个采样点浓度数据，因此无法完整反映街道峡谷内部污染物浓度的分布，进行准确的污染扩散分析。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供基于城市环境影响下的变电站火灾大气污染扩散分析方法，针对典型城市道路和建筑布局的几何形状建立工况，并采用相应的动力学参数与污染物指标作为评价体系，研究变电站火灾污染物分布与动力学参数之间的联系及污染物分布特征。
本发明的技术方案如下：
本发明目的之一在于提供基于城市环境影响下的变电站火灾大气污染扩散分析方法，包括如下步骤：
S1、采用稳态k-ε两方程模型结合组分输运方程对典型的双车道街道峡谷内的流场与变电站火灾大气污染物浓度场进行模拟；
S2、选定区域对典型的双车道街道峡谷内的流场与变电站火灾大气污染物浓度场的模型进行数值模拟以实现污染物扩散验证；
S3、在经过S1模拟的基础上建立典型市区特定区域污染物扩散CFD模型，同时确定实际参数，分析在不同来流风向及风速下典型市区重点区域下的污染物扩散情况；
S4、选取经过S3获得的不同风向及风速区间，分别对风速场、污染物浓度场进行模拟得到不同风向角下污染物浓度极值及其区域，分析不同区域下污染物分布情况。
进一步的，所述步骤S1中对典型的双车道街道峡谷内的流场与变电站火灾大气污染物浓度场进行模拟是研究污染物的扩散过程，分别通过在经典风洞试验的基础上建立无树木街道模型以及绿化带多孔介质物理模型。
进一步的，所述无树木街道模型中，湍流模型采用三维k-ε两方程模型，污染物扩散采用组分输运方程，具体如下所示：
连续方程：
动量方程：
k-ε方程：
组分输运方程：
式中，ρ为空气密度，P为气流压力，v为运动粘性系数，
vt为湍流粘性系数，vt＝Cμ(k2/ε)，Cμ＝0.09,Cε1＝1.44,Cε2＝1.92,δk＝1.0,δε＝1.3，k为湍动能，ε为湍流耗散率；Ci为污染物浓度，K为扩散系数，Si为污染物源项。
进一步的，所述绿化带多孔介质物理模型中加入一个动量源项的方法来考虑多孔介质体对流体运动的阻碍作用，具体表达式如下：
式中，Si为动量第i方向的源项，μ为动力粘性系数，vj为第j方向的流动速度；|v|为标量速度：D和C为系数矩阵。
进一步的，所述步骤S3中建立典型市区特定区域污染物扩散CFD模型包括城市建筑模型、计算域模型、网格划分和入口风剖面的确定。
进一步的，所述城市建筑模型借助CATIA软件对城市建筑模型进行简化和重塑，临摹建筑的竖向投影轮廓，再竖向拉伸建筑轮廓至建筑高度，形成实体的城市建筑模型，并在城市建筑模型基础上获得计算域模型。
进一步的，所述入口风剖面的确定根据地貌分类计算入口的平均风速、湍动能以及耗散率。
进一步的，所述S3中实际参数的确定包括污染源相对浓度确定和风速风向概率密度确定；所述污染源相对浓度根据典型市区计算区域内各道路平均车流量进行反映；所述风速风向概率密度通过统计分析常年观测到的风速风向资料，得到各风向角度区间的风频并确定其风速概率分布函数。
本发明目的之二在于提供一种电子设备，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基于城市环境影响下的变电站火灾大气污染扩散分析方法。
本发明的目的之三在于提供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基于城市环境影响下的变电站火灾大气污染扩散分析方法。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供基于城市环境影响下的变电站火灾大气污染扩散分析方法，针对典型城市道路和建筑布局的几何形状建立工况，采用相应的动力学参数与污染物指标作为评价体系，研究变电站火灾大气污染物分布与动力学参数之间的联系及污染物分布特征，主要采用了CFD模拟的方法开展污染物扩散路径的研究，能够深度分析不同风环境下大气污染物浓度变化规律，为后续如何避免变电站火灾导致的典型城市道路和建筑的污染提供参考建议。
2、本发明提供的方案克服了现有技术中只能得到有限的几个采样点浓度数据，无法完整反映街道峡谷内部污染物浓度的分布的技术问题，本发明本章在经典风洞实验基础上，建立可用于数值模拟的绿化带多孔介质物理模型.并采用湍流模型结合组分输运方程模拟道路中央有绿化带街道峡谷内的污染物扩散过程，在此基础上进行城市环境下的污染物扩散研究更准确且更具参考价值。
附图说明
图1为本发明实施例中无树木街道模型数值模拟中的街道峡谷模型示意图；
图2为本发明实施例中绿化带多孔介质物理模型数值模拟中的街道峡谷模型示意图；
图3为本发明实施例中绿化带多孔介质物理模型数值模拟中树冠与线源设置示意图；
图4为本发明实施例中数值模拟结果验证中的网格生成示意图；
图5为本发明实施例中无树木情况下街道峡谷内流场与无量纲浓度场示意图；其中，5a为街道峡谷内的流场，5b为湍动能，5c为无树木耗散率分布；
图6为本发明实施例中无树木情况下风洞实验与数值模拟结果的无量纲浓度kc对比示意图；其中，图6a为源A排放，图6b为源B排放；
图7为本发明实施例中有绿化带街道峡谷内流场与无量纲浓度场示意图；
其中7a为街道峡谷内的流场，7b为湍动能，7c为有树木耗散率分布；
图8为本发明实施例中有绿化带情况下风洞实验与数值模拟结果的无量纲浓度kc对比示意图；其中，图8a为源A排放，图8b为源B排放；
图9为本发明实施例中典型市区特定区域污染物扩散CFD模型中建筑群模型示意图；
图10为本发明实施例中典型市区特定区域污染物扩散CFD模型中计算域模型示意图；其中，图10a为计算域俯视图，图10b为计算域侧视图；
图11为本发明实施例中为风特性剖面示意图；其中，图11a为平均风速，图11b为湍流强度，图11c为湍动能；
图12为本发明实施例中典型城市地区风速风向频率玫瑰图。
具体实施方式
下面结合附图和较佳实施例对本发明做进一步的说明，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
本发明提供基于城市环境影响下的变电站火灾大气污染扩散分析方法，包括如下步骤：
S1、采用稳态k-ε两方程模型结合组分输运方程对典型的双车道街道峡谷内的流场与变电站火灾大气污染物浓度场进行了模拟，同时进行数值模拟与污染物扩散验证；
S2、选定区域对典型的双车道街道峡谷内的流场与变电站火灾大气污染物浓度场的模型进行数值模拟以实现污染物扩散验证；
S3、在经过S1模拟的基础上建立典型市区特定区域污染物扩散CFD模型，同时确定实际参数，分析在不同来流风向及风速下典型市区重点区域下的污染物扩散情况；
S4、选取经过S3获得的不同风向及风速区间，分别对风速场、污染物浓度场进行模拟得到不同风向角下污染物浓度极值及其区域，进而分析不同区域下污染物分布情况。
进一步的，所述步骤S1中无树木街道模型中，湍流模型采用三维k-ε两方程模型，污染物扩散采用组分输运方程，入口风速采用指数型速度边界条件u(y)＝7.7(y/100)0.23；计算域顶部为自由流且远离街道峡谷顶部，上边界采用对称边界条件；出口边界为避免产生回流，采用InletOut边界条件；地面和建筑物表面采用无滑移速度边界条件；计算过程中，将空气视为不可压流体流场与浓度场计算控制方程如下所示：
连续方程：
动量方程：
k-ε方程：
组分输运方程：
式中，ρ为空气密度，P为气流压力，v为运动粘性系数，
Cμ＝0.09,Cε1＝1.44,Cε2＝1.92,δk＝1.0,δε＝1.3，k为湍动能，ε为湍流耗散率；Ci为污染物浓度，K为扩散系数，Si为污染物源项。
在本实施例中，设计如图1所示的三维街道峡谷模型，该街道峡谷背风建筑与迎风建筑高度均为18m，峡谷宽度亦为18m：源A和源B分别代表左右两条车道，宽度为1.5m，与背风建筑和迎面建筑的距离均为4.5m，变电站火灾有害气体以CO为例，为避免计算边界可能对真实物理流场的干扰，选取了一个长(x轴正方向)432m，宽(y轴正方向)270m，高(z轴正方向)108m的二维区域进行数值模拟。
进一步的，所述步骤S1中绿化带多孔介质物理模型中加入一个动量源项的方法来考虑多孔介质体对流体运动的阻碍作用，具体表达式如下：
式中，Si为动量第i方向的源项，μ为动力粘性系数，vj为第j方向的流动速度.|v|为标量速度：D和C为系数矩阵；计算过程中，将空气视为不可压流体，湍流模型和污染物扩散模型如上所述；该动量源项由两部分组成，第一部分为粘性损失项，第二部分为惯性损失项；由于树冠孔隙率很大，模拟中的空气流动属于高雷诺数流动，故忽略粘性损失，将压力损失系数λ代入惯性损失项的系数矩阵C(均匀多扎介质各向同性)；入口风速采用指数型速度边界条件u(y)＝4.65(y/18)0.23，边界层湍流采用k与ε形式表达，计算域顶部为自由流且远离街道峡谷顶部，采用对称边界条件；出口边界为避免产生回流，采用InletOut边界条件；地面和建筑物表面采用无滑移速度边界条件；
在本实施例中，选取了一个长(x轴正方向)432m，宽(y轴正方向)270m，高(z轴正方向)108m的三维区域进行数值模拟(如图2)，道路两侧建筑高度与宽度均为，其中背风面建筑距入口108m(即6H)，迎风面建筑距出口276m(14H)，计算区域采用多面体网格，网格数量为257451；树冠所占区域设置为多孔介质，树冠高度为2/3H(12m)，宽度为1/2H(9m)，距两侧建筑物均为1/4H(4.5m)，树冠底部(即最低处树叶到地面的距离)距路面，树冠对应孔隙率96％的落叶乔木，压力损失系数λ＝200m-1；源A与源B分别代表街道峡谷内的背风侧与迎风侧车道(如图3)，进行数值模拟。
进一步的，对数值模拟的结果进行验证，即进行污染物扩散验证的具体步骤如下：
S21、网格的生成：首先要保证关心区域有足够的网格密度，以保证得到准确的数值模拟结果；然后还要控制整体网格数量，使计算量的要求不超过计算机的运算和存储能力；基于以上考虑，数值计算域采用多面体网格，在建筑表面附近区域作加密处理，由于模拟的流场范围较小，且几何形状较为简单，多面体网格的数量为257451；数值计算域多面体网格如图3所示；
S22、无树木情况下污染物扩散验证：对无树木情况下，街道峡谷中车道中污染源A和源B同时排放情况的进行模拟；数值计算结果如图4a-4c所示，数值结算结果图包括街道峡谷内的流场、湍动能和浓度场分布，浓度场采用风洞实验的无量纲形式，即Kc＝cμ(100m)HLq/Q；
由图4a可知，在峡谷中心存在一个顺时针方向的强旋涡，使得污染物向峡谷中心聚集，导致峡谷中心的污染物浓度比周围要高，同时使背风面的污染物浓度比迎风面的污染物浓度要高，而且污染物浓度随着高度的增加而减少；
图4b中屋顶对自由流的剪切作用明显，位于屋顶边角处的剪切层湍动能较大，且迎风建筑物附近强湍流区向街道峡谷内扩展明显，有利于街道峡谷内污染物的清除；图4c中可以看出湍流能较大处污染物的耗散率也较高，以屋顶角落为中心向周围扩散。
如图4c所示，街道峡谷内流场导致污染物在背风建筑底部附近堆积，水平浓度梯度大于垂直浓度梯度；综合图5发现，源B排放较源A排放在背风建筑物底部的堆积明显减少；对比数值模拟结果与风洞实验结果，两者吻合较好，证明两方程模型结合组份输运方程可以应用于双车道街道峡谷内污染物扩散的模拟；
S23、有绿化带存在条件下污染物扩散：对有树木情况下，街道峡谷中车道污染源A和源B同时排放的情况进行模拟；如图6所示为有树木情况下街道峡谷内的流场、湍动能和浓度场分布，浓度场采用风洞实验的无量纲形式，即Kc＝cμ(100m)HLq/Q；
由图6a可知，街道峡谷中存在一个稳定的顺时针主旋涡和迎风建筑底部的一个较明显的次级逆时针旋涡；在背风面建筑顶部存在一个高气压区域，使得气流从高压区域向外流动，导致污染物在迎风面建筑底部堆积，污染物浓度比其他地方高出很多，而且污染物浓度随着高度的增加而迅速减少；
图6b中屋顶对自由流的剪切作用明显，位于屋顶边角处的剪切层湍动能较大，且迎风建筑物附近强湍流区向街道峡谷内扩展明显，有利于街道峡谷内污染物的清除；图6b中可以看出湍流能较大处污染物的耗散率也较高，以屋顶角落为中心向周围扩散。
如图6c所示，街道峡谷内流场导致污染物在背风建筑底部附近堆积，水平浓度梯度大于垂直浓度梯度；综合图7发现，源B排放较源A排放在背风建筑物底部的堆积明显减少；对比数值模拟结果与风洞实验结果，两者吻合较好，证明两方程模型结合组份输运方程并将树冠作为多孔介质的计算方案可以应用于双车道街道峡谷内污染物扩散的模拟。
进一步的，所述步骤S3中建立典型市区特定区域污染物扩散CFD模型包括城市建筑模型、计算域模型、网格划分和入口风剖面的确定。
其中，所述城市建筑模型借助CATIA软件对城市建筑模型进行简化和重塑，临摹建筑的竖向投影轮廓，再竖向拉伸建筑轮廓至建筑高度，形成实体的城市建筑模型(如图9)，并在城市建筑模型基础上获得计算域模型(如图10)；其中，本实施例中的城市环境计算域采用多面体网格，由于模拟的城市区域范围较大，最终生成的多面体网格数量多达1800万个；
其中，所述入口风剖面的确定根据地貌分类计算入口的平均风速、湍动能以及耗散率；本实施例中选取平均风速剖面作为入口风剖面，按照如表1示的地貌分类，根据风特性公式计算平均风速、湍动能，并根据计算结果绘制风特性剖面，如图11；
表1地貌分类
湍流强度：
平均速度：
式中，V为10m高度处的参考风速，为10min统计平均风速。
进一步的，所述S3中实际参数的确定包括污染源相对浓度确定和风速风向概率密度确定；所述污染源相对浓度根据典型市区计算区域内各道路平均车流量进行反映；所述风速风向概率密度通过统计分析常年观测到的风速风向资料，得到各风向角度区间的风频并确定其风速概率分布函数；
其中，本实施例中采用典型城市气象局提供的数据进行分析，将360°划分为16个风向区间，统计得到的风速风向频率玫瑰如图12，本实施例中采用了最大似然估计法估计了各风向的Weibull分布函数的参数，估计的参数通过了置信度为95％的K-S检验，后续的风环境评估中将采用此结果。
在本实施例中，间隔45°，选取8个风向区间，如表2，分别对风速场、污染物浓度场进行模拟得到不同风向角下污染物浓度极值及其区域，进而分析不同区域下污染物分布情况：
表2数值仿真所选用的入流风速
实施例2
本实施例还提供一种电子设备，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如实施例1所述的基于城市环境影响下的变电站火灾大气污染扩散分析方法。
实施例3
本实施例还提供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如实施例1所述的基于城市环境影响下的变电站火灾大气污染扩散分析方法。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，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计算机可读存储介质中；其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.基于城市环境影响下的变电站火灾大气污染扩散分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采用稳态k-ε两方程模型结合组分输运方程对典型的双车道街道峡谷内的流场与变电站火灾大气污染物浓度场进行模拟；
S2、选定区域对典型的双车道街道峡谷内的流场与变电站火灾大气污染物浓度场的模型进行数值模拟以实现污染物扩散验证；
S3、在经过S1模拟的基础上建立典型市区特定区域污染物扩散CFD模型，同时确定实际参数，分析在不同来流风向及风速下典型市区重点区域下的污染物扩散情况；
S4、选取经过S3获得的不同风向及风速区间，分别对风速场、污染物浓度场进行模拟得到不同风向角下污染物浓度极值及其区域，分析不同区域下污染物分布情况。
2.如权利要求1所述的基于城市环境影响下的变电站火灾大气污染扩散分析方法，其特征在于，所述步骤S1中对典型的双车道街道峡谷内的流场与变电站火灾大气污染物浓度场进行模拟以研究污染物的扩散过程，分别通过在经典风洞试验的基础上建立无树木街道模型以及绿化带多孔介质物理模型。
3.如权利要求2所述的基于城市环境影响下的变电站火宅大气污染扩散分析方法，其特征在于，所述无树木街道模型中，湍流模型采用三维k-ε两方程模型，污染物扩散采用组分输运方程，具体如下所示：
连续方程：
动量方程：
k-ε方程：
组分输运方程：
式中，ρ为空气密度，P为气流压力，v为运动粘性系数，
vt为湍流粘性系数，vt＝Cμ(k2/ε)，Cμ＝0.09,Cε1＝1.44,Cε2＝1.92,δk＝1.0,δε＝1.3，k为湍动能，ε为湍流耗散率；Ci为污染物浓度，K为扩散系数，Si为污染物源项。
4.如权利要求3所述的基于城市环境影响下的变电站火宅大气污染扩散分析方法，其特征在于，所述绿化带多孔介质物理模型中加入一个动量源项的方法来考虑多孔介质体对流体运动的阻碍作用，具体表达式如下：
式中，Si为动量第i方向的源项，μ为动力粘性系数，vj为第j方向的流动速度.|v|为标量速度：D和C为系数矩阵。
5.如权利要求1所述的基于城市环境影响下的变电站火宅大气污染扩散分析方法，其特征在于，所述步骤S3中建立典型市区特定区域污染物扩散CFD模型包括城市建筑模型、计算域模型、网格划分和入口风剖面的确定。
6.如权利要求1所述的基于城市环境影响下的变电站火宅大气污染扩散分析方法，其特征在于，所述城市建筑模型借助CATIA软件对城市建筑模型进行简化和重塑，临摹建筑的竖向投影轮廓，再竖向拉伸建筑轮廓至建筑高度，形成实体的城市建筑模型，并在城市建筑模型基础上获得计算域模型。
7.如权利要求5所述的基于城市环境影响下的变电站火宅大气污染扩散分析方法，其特征在于，所述入口风剖面的确定根据地貌分类计算入口的平均风速、湍动能以及耗散率。
8.如权利要求5所述的基于城市环境影响下的变电站火宅大气污染扩散分析方法，其特征在于，所述S3中实际参数的确定包括污染源相对浓度确定和风速风向概率密度确定；所述污染源相对浓度根据典型市区计算区域内各道路平均车流量进行反映；所述风速风向概率密度通过统计分析常年观测到的风速风向资料，得到各风向角度区间的风频并确定其风速概率分布函数。
9.一种电子设备，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，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至8任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述的方法。
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