气体扩散浓度计算模型介绍
合集下载
大气浓度扩散估算模式75页PPT
15
§2高斯扩散模式
一、高斯模式的有关假定 1.坐标系 坐标系取排放点（无界源、地面源或高架源排放点）在地面 的投影点为原点，主风向为x轴，y轴在水平面内垂直于x轴， 正方向在x轴的左侧，z轴垂直于水平面，向上为正，即右手坐 标系。食指—x轴；中指—y轴；拇指—z轴。此坐标系中，烟 流中心与x轴重合或烟流在oxy平面的投影为x轴。 2.四点假设 a．污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布 b．全部高度风速均匀稳定 c．源强是连续均匀稳定的 d．扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）
8
3.相似理论
湍流相似扩散理论，最早始于英国科学家里查森和泰 勒。后来由于许多科学家的努力，特别是俄国科学家 的贡献，使湍流扩散相似理论得到很大发展。 湍流扩散相似理论的基本观点是，湍流由许多大小不 同的湍涡所构成，大湍涡失去稳定分裂成小湍涡，同 时发生了能量转移，这一过程一直进行到最小的湍涡 转化为热能为止。从这一基本观点出发，利用量纲分 析的理论，建立起某种统计物理量的普适函数，再找 出普适函数的具体表达式，从而解决湍流扩散问题。 我们把这种理论称为相似扩散理论。 利用这些理论进行研究时，常采用数值分析法、现场 研究法和实验室模拟研究法三种方法。理论和方法的 运用不可分割，应该将它们很好地结合在一起，得出 与实际大气污染扩散相符合的计算模式。
5.三种理论的比较
这三个理论分别： 考虑不同的物理机制， 采用不同参数， 利用不同的气象资料， 在不同的假定条件下建立起来的。 它们具有不同的有缺点，只能在一定范围内使用
14
湍流的概念（运动流场的各种特性量是时间和空间的 随机变量 ） 大气运动的湍流性（雷诺数远大于下临界数） 雷诺数（特征尺度、流动速度、分子动力学粘性系数 ） 湍流的基本特征： （1）随机性，（2）非线性， （3）扩散性， （4）涡旋性，（5）耗散性 热力湍流和机械湍流（不稳定、风切变） 大气湍流与污染物的扩散（快、各种湍涡） 研究湍流的主要方法：一种是半经验理论方法， 另一是湍流统计理论方法 湍流扩散的梯度输送理论（欧拉方法） 湍流扩散的统计理论（拉格朗日方法） 湍流扩散的相似理论
§2高斯扩散模式
一、高斯模式的有关假定 1.坐标系 坐标系取排放点（无界源、地面源或高架源排放点）在地面 的投影点为原点，主风向为x轴，y轴在水平面内垂直于x轴， 正方向在x轴的左侧，z轴垂直于水平面，向上为正，即右手坐 标系。食指—x轴；中指—y轴；拇指—z轴。此坐标系中，烟 流中心与x轴重合或烟流在oxy平面的投影为x轴。 2.四点假设 a．污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布 b．全部高度风速均匀稳定 c．源强是连续均匀稳定的 d．扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）
8
3.相似理论
湍流相似扩散理论，最早始于英国科学家里查森和泰 勒。后来由于许多科学家的努力，特别是俄国科学家 的贡献，使湍流扩散相似理论得到很大发展。 湍流扩散相似理论的基本观点是，湍流由许多大小不 同的湍涡所构成，大湍涡失去稳定分裂成小湍涡，同 时发生了能量转移，这一过程一直进行到最小的湍涡 转化为热能为止。从这一基本观点出发，利用量纲分 析的理论，建立起某种统计物理量的普适函数，再找 出普适函数的具体表达式，从而解决湍流扩散问题。 我们把这种理论称为相似扩散理论。 利用这些理论进行研究时，常采用数值分析法、现场 研究法和实验室模拟研究法三种方法。理论和方法的 运用不可分割，应该将它们很好地结合在一起，得出 与实际大气污染扩散相符合的计算模式。
5.三种理论的比较
这三个理论分别： 考虑不同的物理机制， 采用不同参数， 利用不同的气象资料， 在不同的假定条件下建立起来的。 它们具有不同的有缺点，只能在一定范围内使用
14
湍流的概念（运动流场的各种特性量是时间和空间的 随机变量 ） 大气运动的湍流性（雷诺数远大于下临界数） 雷诺数（特征尺度、流动速度、分子动力学粘性系数 ） 湍流的基本特征： （1）随机性，（2）非线性， （3）扩散性， （4）涡旋性，（5）耗散性 热力湍流和机械湍流（不稳定、风切变） 大气湍流与污染物的扩散（快、各种湍涡） 研究湍流的主要方法：一种是半经验理论方法， 另一是湍流统计理论方法 湍流扩散的梯度输送理论（欧拉方法） 湍流扩散的统计理论（拉格朗日方法） 湍流扩散的相似理论
第04章大气污染扩散模型环境保护概论ppt课件
平衡浓度为：
第六节 区域大气环境质量模型
多源大气环境质量模型 区域内大气中某一点的污染物浓度等于背景浓度和各
污染源对该点浓度的贡献值之和：
《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》中排放总量 限值的计算方法
第七节 厂址的选择和烟囱的设计
如果用y0表示烟流半宽度，z0表 示烟流半高度，则有：
封闭型扩散模式
计算简化：
熏烟型扩散模式
假设： D 换成hf（垂向均匀分布）；q只包括进入混合层部分，
则仍可用上面公式
熏烟型扩散模式
第五节 城市及山区扩散模式
城市大气扩散模式
1.线源扩散模式
风向与线源垂直时
边缘效应
城市大气扩散模式
2.面源扩散模式
城市大气扩散模式
2. 面源扩散模式（续）
简化为点源的面源扩散模式（续） 形心上风向距x0处有一虚拟点源，其烟流在形心处宽度正好
与正方形宽度相等
烟流宽度：中心线到浓度为中心处距离的两倍
（正态分布：
）
确定 、 之后即可按点源计算面源浓度
城市大气扩散模式
2. 面源扩散模式（续）
窄烟流模式
某点的污染物浓度主要取决于上风向面单元的源强，上风向 两侧单元对其影响很小
定状态，σ较大，即σ与稳定度密切相关。
扩散参数的确定
P－G曲线法
P－G曲线:Pasquill常规气象资料估算；Gifford制成图表
方法要点
将大气稳定度分为6个等级： A — 极不稳定，B —不稳定，C — 弱不稳定， D — 中性，E — 弱稳定，F —稳定。
太阳辐射
稳定级别 下风距离
P-G曲线图 P-G 表
Eutrophication)
Acid Rain
第六节 区域大气环境质量模型
多源大气环境质量模型 区域内大气中某一点的污染物浓度等于背景浓度和各
污染源对该点浓度的贡献值之和：
《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》中排放总量 限值的计算方法
第七节 厂址的选择和烟囱的设计
如果用y0表示烟流半宽度，z0表 示烟流半高度，则有：
封闭型扩散模式
计算简化：
熏烟型扩散模式
假设： D 换成hf（垂向均匀分布）；q只包括进入混合层部分，
则仍可用上面公式
熏烟型扩散模式
第五节 城市及山区扩散模式
城市大气扩散模式
1.线源扩散模式
风向与线源垂直时
边缘效应
城市大气扩散模式
2.面源扩散模式
城市大气扩散模式
2. 面源扩散模式（续）
简化为点源的面源扩散模式（续） 形心上风向距x0处有一虚拟点源，其烟流在形心处宽度正好
与正方形宽度相等
烟流宽度：中心线到浓度为中心处距离的两倍
（正态分布：
）
确定 、 之后即可按点源计算面源浓度
城市大气扩散模式
2. 面源扩散模式（续）
窄烟流模式
某点的污染物浓度主要取决于上风向面单元的源强，上风向 两侧单元对其影响很小
定状态，σ较大，即σ与稳定度密切相关。
扩散参数的确定
P－G曲线法
P－G曲线:Pasquill常规气象资料估算；Gifford制成图表
方法要点
将大气稳定度分为6个等级： A — 极不稳定，B —不稳定，C — 弱不稳定， D — 中性，E — 弱稳定，F —稳定。
太阳辐射
稳定级别 下风距离
P-G曲线图 P-G 表
Eutrophication)
Acid Rain
大气污染扩散及浓度估算模式概述(PPT 49张)
第三节 扩散参数的估计
上述高斯扩散中，欲计算出大气污染物浓度及其分
布，则必须知道源强Q、平均风速U，有效源高H和 大气扩散参数σy和σz。其中Q和U往往是通过测量或 由工程设计给出，于是问题归结于如何给出有效源 高和大气扩散参数。下面我们首先讨论扩散参数的 估算方法。 扩散参数（σy、σz）是下风向距离x，大气稳定度、 地面粗糙度等的函数。目前广泛使用的确定扩散参 数的方法是根据大量扩散试验总结出来的经验方法 和经验公式。
的基本模式。需要说明的是模式中的H是指 有效源高，有关有效源高的问题将在下面进 行专门讨论。式中平均风速是指烟云扩散范 围内的平均风速，通常可简单地取排放面高 度处的风速。
三、几个常用的大气扩散模式
1．高架连续点源： （a）地面浓度C（x、y、、o、o、H）：
练习题
1、求以下污染气体的浓度单位换算关系（mg/m3ppm)在
标准状态下：CO、O3、NO2、NO。 2 大气中CO2的通量浓度为340ppm,问1Nm3空气中含CO2多 少克？ 2、成人每次吸入的空气质量平均为500cm3,j假若每分钟呼 吸15次，空气中颗粒物的浓度为200µg/m3，试计算每小时 沉积于肺胞中的颗粒屋质量。已知该颗粒物在肺胞中的 沉降 系数为0.12。 4、据估计某平原城市远郊区燃烧的垃圾以每秒3克的速度向 四周排放氢氧化物为主的的污染物。当时气象状况为：风速 7m/s，夜间、阴天。请问此垃圾堆正下风向3km处的污染物 浓度是多少？此距离上偏离X轴线200m处浓度是多少？
一个烟团在大小不同的湍涡中的扩散情况。
（c）表示尺度与烟团大 小相仿的湍流作用。这时， 烟团被湍涡拉开撕裂而变形。 这是一种比较快的扩散过程。
从应用角度研究大气污染扩散，就是找出不同气象条件下， 污染物在大气中的搬运规律，以求最大限度地减低空气污染 的程度。利用这些规律可以解决下述一些问题：
天然气高压泄漏
一、泄漏物质在大气中扩散的计算模型1.泄漏物质在大气中扩散的计算模型 如果化学危险物质只是具有易燃易爆性，则发生泄漏后虽然可能产生极为严重的火灾、爆炸事故，但是影响的范围不大，仅局限于厂区内部或临近的区域。
但是，若该物质具有毒性，泄漏后能在大气中扩散，则将造成大范围内的人员中毒事故。
对于毒物在大气中扩散的计算，可以根据下列情形进行。
（1）泄漏危险源瞬时排放的情形 泄漏危险源为瞬时排放时，如果排放质量为Q(kg),则空间某一点在t 时刻的浓度由下式得出：()⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++--=•••••••••••••z y x z y x z y ut x •Qt z y x C 2222222/321exp )2(2),,,(σσσσσσπ (公式3-19) 式中x —下风方向至泄漏源点的距离，m;y,z —侧风方向、垂直向上方向的离泄漏源点的距离，m;u —风速，m/s;σx ,σy ,σz, —分别为x,y ,z 方向的扩散参数； t —扩散时间，s(2)泄漏危险源连续排放的情形若泄漏源为连续排放，泄漏速率为Q(kg/s)时，则空间莫一点在t 时刻的浓度由下式得出：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=••••••••z y z y z y u Q t z y x C 222221exp ),,,(σσσπσ (公式3-20) 式中符号意义同上。
对于扩散参数σy , σz,，这里引用TNO 有关的公式：•ax Q ••by••dz cx Q （公式3-21）根据上述两个大气扩散公式，即可算出有毒气体泄漏后造成的毒害区域。
扩散系数a 、b 、c 、d 与大气稳定条件见表3-1表3-1 扩散参数与大气稳定条件 大气条件 a b c d 极不稳定A 0.527 0.865 0.28 0.9 不稳定B 0.371 0.866 0.23 0.85 弱不稳定C 0.209 0.897 0.22 0.8 中性D 0.128 0.905 0.2 0.76 弱稳定E 0.098 0.902 0.15 0.73 稳定F0.0650.9020.120.67例：某压缩天然气（CNG ，含CH 496.23%）高压输送管的内部绝对压力为2.6Mpa,外界大气的压力位0.1Mpa,管道内径600mm.若管道发生开裂导致天然气泄漏，泄漏的裂口为狭窄的长方形裂口，裂口尺寸为管径的60%，宽为2mm.已知甲烷的爆炸下限浓度为5%。
《大气扩散浓度估算》课件
高斯模型适用于简单地形和平稳气象条件下的扩散模拟 。
拉格朗日模型适用于模拟复杂流动场和污染物迁移转化 过程。
03 大气扩散浓度估算方法
估算方法分类
直接测量法
通过在目标区域设置监测站点，直接测量大气中 的污染物浓度。
模型模拟法
利用数学模型和计算机模拟技术，预测大气中污 染物的扩散和浓度分布。
经验估算法
《大气扩散浓度估算》ppt课件
• 大气扩散基本概念 • 大气扩散模型 • 大气扩散浓度估算方法 • 大气扩散浓度估算案例分析
• 大气扩散浓度估算的挑战与展望 • 大气扩散浓度估算的实际应用
01 大气扩散基本概念
大气扩散的定义
总结词
大气扩散是指污染物在大气中由高浓度向低浓度自然传播、分散的过程。
大气扩散浓度估算的展望
01 02 03
大数据和人工智能技术的应用
随着大数据和人工智能技术的发展，未来可以利用这些技 术对大量的监测数据进行处理和分析，提高数据的质量和 利用效率。同时，可以利用人工智能技术对大气扩散模型 进行优化和改进，提高模型的预测精度和适用性。
多源数据的融合和应用
未来可以利用更多的数据源，如卫星遥感数据、无人机监 测数据等，对大气扩散过程进行全方位的监测和评估。通 过多源数据的融合和应用，可以更全面地了解大气扩散的 规律和影响因素，为估算结果的准确性提供保障。
大气扩散的影响因素
总结词
大气扩散的影响因素主要包括气象条件、地形地貌和排放源特征等。
详细描述
气象条件如风向、风速、温度层结等对大气扩散有重要影响，风速决定了污染物的扩散速度，温度层结影响污染 物的垂直扩散；地形地貌如山丘、河流等也会影响污染物的扩散；排放源特征如排放高度、排放强度等也会对大 气扩散产生影响。
大气污染扩散计算方法
二、有限长线源扩散模式
线源扩 散模型
(4)计祘源强 Ql 90 / 150 0.6( g / sm)
(5)计算浓度
A( y ) 2
p2
1 2
p1
exp(0.5 p )dp
2
0.918
1 2
0.918
exp(0.5 p 2 )dp
0.918
1 2
0
exp(0.5 p 2 )dp 2 * 0.3159
C
0.22x(1+0.0004x)-1/2
0.20x
D
0.16x(1+0.0004x)-1/2
0.14x(1+0.0003x)-1/2
E-F 0.11x(1+0.0004x)-1/2
0.08x(1+0.0015x)-1/2
六、实例计算
某火力发电厂的烟囱高度为50m,烟囱口直径1.5m,烟气出口速度 为:5m/s,烟气出口温度600K,SO2的排放率为270g/s,地面10m高的 风速为4.0m/s,太阳高度角>60度,气温为37C, 试计算下风侧地面x 轴线500m处SO2的浓度为多少？最大浓度？最大浓度位于何处？
……………………..(A)
三、高架点源高斯扩散模型
点源扩 散模型
地面浓度模式：取z＝0代入上式，得
y2 H2 c( x, y ,0, H ) exp( 2 ) exp( 2 ) 2 y 2 z πu y z q
…………..(B)
地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式
H2 c( x,0,0, H ) exp( 2 ) 2 z πu y z q
m
u1 —Z1 高度处的平均风速（m/s） Z1—风速仪的高度； ；m—指数；
气体扩散系数的测定和计算
实验 气体扩散系数的测定和计算一、实验目的：1. 了解菲克第一定律；2. 求出液体表面蒸发气的气体扩散系数；3. 通过实验掌握用蒸发管法测定气体扩散系数。
二、实验原理：挥发性液体之气体扩散系数可藉由Winklemann’s method 来检测，在有限内径的垂直毛细管中保持固定的温度和经过毛细管顶部的空气流量，可确定液体表面的分子扩散到气体中的蒸气分压。
图 蒸发管法测定气体扩散系数已知质传速率：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=Bm T AA C C L CD 'N （1）式中：D = 扩散速率 (m 2/s)C A = A 物质于界面间的饱和浓度 (kmol/m 3) L =质传有效距离(mm)C Bm =蒸气的对数平均莫耳浓度 (kmol/m 3)2A p 气体BA Nz0z液体()时在01θz()时在θ1z1A p2zC T = 总莫耳浓度＝C A +C Bm (kmol/m 3) 液体的蒸发速率：⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=dt dL M ρN L A ' （2）式中：ρL = 液体密度⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛Bm T A L C C L C D dt dL M ρ （3） at t=0 , L=L 0 做积分t C C C ρMD 2L L Bm TA L 202⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=- （4）()()t C C C ρMD 2L 2L L L L Bm TA L 000⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+--(5)()()0A T Bm L 0A T Bm L 0L C MDC C ρL L C C C MD 2ρL L t ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=- (6)其中：M = 分子量、t = 时间⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=aabs T T T Vol kmol C 1 ， 其中 Vol ＝22.4 m 3 (7)T 1B C C =(8) T a v a 2B C P P P C ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=(9))C C ln()C (C C B2B1B2B1Bm -=(10) T a v A C P P C ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=(11)三、实验装置：本实验装置如下图所示，包括： 玻璃温度计；T型管：横管为两端开口的普通玻璃管，用于气体流通；竖管为下端封口的毛细管，用于盛放丙酮溶液(丙酮为被测气体)，由于使用了毛细管，可以将被测气体的扩散视为一维的竖直扩散；温度传感器、恒温槽（透明压克力箱）、泄水阀；游标尺：实验中使用精度为0.1mm的游标卡尺，可以通过显微镜对毛细管内的液位进行测量；游标尺高度计支撑架、显微镜（由于游标卡尺刻度较密，且置于水浴箱中，要借助显微镜进行读数）；温度显示面板、heater 开关、电源线、air pump 开关、air pump (黑色压克力箱)、浮动开关、伸缩管。
气体扩散浓度计算模型介绍
常见的泄露源: 常见的泄露源: 爆炸形成瞬时泄露——烟团 爆炸形成瞬时泄露 烟团
扩散过程研究
不同性质气体在不同条件下表现出不同 的特征 观察者对过程特征的选取
重气扩散过程
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； 初始阶段： 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 重力沉降阶段和空气卷吸阶段： 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。 间的密度差，导致重气塌陷，沿地表面拓展，引起云团厚度的降低和径向尺寸的增大， 间的密度差，导致重气塌陷，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， 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； 度差异而进行热量交换； ★非重气扩散转变：随着云团的稀释冲淡，重气效应逐渐消失，重气扩散转变为非重气扩散； 非重气扩散转变： 非重气扩散转变 随着云团的稀释冲淡，重气效应逐渐消失，重气扩散转变为非重气扩散； ★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。 大气湍流扩散阶段( 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。
气体扩散浓度计算模型介绍
华东理工大学 沈艳涛
2006.8.31
第一部分 扩散过程与模型分类介绍
相关背景——污染性泄露 污染性泄露 相关背景
大气污染性泄露的形式： 大气污染性泄露的形式：
– 自然方面：火山喷发的有害气体，某些物质自 自然方面：火山喷发的有害气体， 燃或在一定条件下产生的有毒气体， 燃或在一定条件下产生的有毒气体，环境微生 物产生的某些气体 – 日常生活方面：生活用煤产生的含氮硫氧气体 日常生活方面： – 石化燃料动力的交通车辆产生的尾气将在一定 气候下生成光化学雾 – 工业用气体的泄漏，特别是化学工业用到的大 工业用气体的泄漏， 量的有毒有害， 量的有毒有害，易燃易爆的气体 – 其他方面产生的一些气体及烟尘
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
浅层模式模型适用性
常用于非互溶的流体中
此类模型有：
SHALLOW（Webber等） TWODEE（Hankin和Britter） DISPLAY1, DISPLAY2（würtz等） 等等
第四类：三维模式模型
该模型采用计算流体力学（CFD）方法模拟 重气得到三维非定常态湍流流动过程。这 种数值方法是通过建立各种条件下的基本 守恒方程（包括质量、动量、能量及组分 等），结合一些初始条件和边界条件，运 用数值计算理论和方法，求解Navier－ Stokes方程，实现预报真实过程各种场的 分布。
第一类：唯像模型
唯像模型是由一系列图表或简单关系式来 描述扩散行为的。 Britter and McQuaid在重气扩散手册中推 荐了一套简单而实用的方程式和列线图， 称之为B&M模型ห้องสมุดไป่ตู้他们是收集了许多重气扩 散的实验室和现场实验的研究结果，以无 因次的形式将数据连线并绘制成与数据匹 配的曲线或列线图。
箱模型其他研究情况介绍
Manju（1995）在总结以前学者的研究基础上，开 发了ⅡT Heavy Gas Models模型，可以用于模拟 重气瞬时泄漏扩散和连续泄漏扩散。 扩散模型包括了重力沉降、空气卷吸、云团受热 和向非重气云团过渡。 对扩散过程中的重力沉降系数、顶部卷吸系数和 侧面卷吸系数的取值进行了分析比较，提出了建 议取值，并提出利用云团密度与周围空气密度差 小于0.001Kg/m3来判断云团是否过渡为非重气云 团。
气体扩散浓度计算模型介绍
华东理工大学 沈艳涛
2006.8.31
第一部分 扩散过程与模型分类介绍
相关背景——污染性泄露
大气污染性泄露的形式：
– 自然方面：火山喷发的有害气体，某些物质自 燃或在一定条件下产生的有毒气体，环境微生 物产生的某些气体 – 日常生活方面：生活用煤产生的含氮硫氧气体 – 石化燃料动力的交通车辆产生的尾气将在一定 气候下生成光化学雾 – 工业用气体的泄漏，特别是化学工业用到的大 量的有毒有害，易燃易爆的气体 – 其他方面产生的一些气体及烟尘
相似模型特点与适用
箱及相似模型具有概念清晰、计算量 较小等优点，可为危险评价、应急救 援、制定控制措施等提供指导。但其 自身也存在着局限性，如假定速度和 浓度的相似分布，模拟的精度较差， 重气云团向非重气云团过渡也存在着 很大的不确定性。
已开发的相似模型简介
SAFER、TRACE模型 （在Kaiser和Walker提出模型的基础上开发的） CONSEQ、PHAST、WHAZAN、SAFETI模型 （在Cox和Carpenter提出模型的基础上开发的） DENZ、DRIFT、CIGALE 2、SLOPEFMI模型 （在Fryer和Kaiser提出模型的基础上开发的） HEGADAS、HEGABOX、HGSYSTEM模型（Colenbrander） ⅡT HEAVY GAS MODELS模型（MANJU MOHAN , T. S. PANWAR 和M. P. SINGH） CHARM、ELOE模型（Eidsvik） 等等
Cm，C0－分别为气云横截面上的平均浓度、初始浓度，kg· -3； m Vc0－为连续烟流释放的初始气云体积流量，m3· -1； s Vi0－为瞬时烟团释放的初始气云体积，m3； u－为10m高处的风速，m· -1； s g0’－为初始的折算重力项，g0’＝g(ρ0-ρa)/ρa，ρ0，ρa分别 为初始气云密度和外界空气密度； fc,fi－普遍化无因次函数。
气体泄漏扩散研究方法
试验法 风洞实验法 模型法
试验数据
试验法
问题特点
比例 风洞实验
验证 模型
特征提取与模化
气体扩散浓度计算模型分类
重气泄漏扩散的数值模拟方法依据各自的 建模原理以及复杂程度可分为五类 :
– – – – –
第一类：唯像模型 第二类：箱及相似模型 第三类 浅层模式模型 第四类：三维模式模型 第五类 随机游走模式模型
沸点重气
10700~ 17300 79～190
沸点重气
6500~ 12700 65～98
二相重气
10000~ 36800 126～381
二相重气
35000~ 38000 125～360
沸点重气
1000~ 6600 60～360
气体重气
3150~ 8700 瞬时
气体重气
4800 460
泄放表面
表面粗糙度R
箱模型：重性气云早期扩展
扩散的过程中还考虑到周边空气的卷吸。早期的 研究者在Van Ulden的重气云实验基础上，提出空 气由模型的顶部卷吸进来是占主导作用的，随着 更深入的认识，很多研究者，如Hanna & Drivas 和Mcquaid都一致认为空气是从模型的顶部和侧面 同时卷吸进来的，卷吸的速度受Richardson、纵 向湍流速度、大气稳定度、风速、摩擦风速等影 响。由于不同的箱模型采用了不同的空气卷吸参 数，从而导致了不同的模式计算结果的差别是很 大的。
第三类 浅层模式模型
浅层模式模型，是对重气扩散的控制方程 加以简化来描述其物理过程，是对于三维 模式模型和简单箱模型的折衷。它是基于 浅层理论（浅水近似）推广得到的，模型 采用了厚度平均变量来描述流场特征，有 利于考虑复杂地形的重气扩散情况。
浅层模式模型思想
该模型需要计算气云的宽度和高度，是拟三维的。 侧风浓度分布应用相似分布确定，气云与环境大 气的混合运用卷吸概念处理。不少专家对浅层模 型进行了进一步开发，Wheatley & Webber对卷吸 和热量传递的浅层模型进行了推导。Errnak等将 浅层模型发展为SLAB模型，包括求解质量、组分、 下风动量、侧风动量和能量的侧风平均守恒方程， 以及气云宽度方程和理想气体状况方程。
水
0.0002
水
0.0002
沙土
0.003
沙土
0.003
水
0.0003
沙土
0.005～0.018
沙土
0.01
大气稳定等级
扩散最远距离 /m 试验时间
C~E
140～800 1982年
C~D
300～400 1983年
D~E
80 1985年
D
3000 1987年
D
460～650 1984年
D~F
500～800 1985年
模型验证情况
ⅡT Heavy Gas Models瞬时泄漏扩散模型 对Thorney Island Tests系列试验下风向 不同距离的泄漏物质最大浓度进行了模拟 验证，ⅡT Heavy Gas Models连续泄漏扩 散模型对Maplin Sands Tests系列试验下 风向不同距离的泄漏物质最大浓度进行了 模拟验证，两个试验的模拟结果都是较好 的，基本上反映了重气的扩散情形。
重气扩散过程
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，导致重气塌陷，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； ★非重气扩散转变：随着云团的稀释冲淡，重气效应逐渐消失，重气扩散转变为非重气扩散； ★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。
验证试验
名 称 项 目 Burro Coyote Desert Tortoise Goldfish Maplin Sands Thorney island (瞬时) Thorney island (连续)
试验次数
试验介质
8
LNG
3
LNG
4
NH3
3
HF
12
LNG
9
氟里昂氮气
2
氟里昂氮气
泄放形态
泄放总量/kg 泄放时间/s
轻气扩散过程
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。
中性气扩散过程
两个阶段 ★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相互作用； ★大气湍流扩散阶段：即大气湍流对云团的扩 散起支配作用。
过程中变异性问题
源与边界的差异性及弱化
◘ 温度差异 ◘ 密度差异
箱模型：重性气向非重气的转折
随着云团的稀释冲淡过程，重气效应逐步地消失， 当重气扩散转变为非重气扩散时，大气湍流对云 团的扩散起支配作用，云团的高度、半径及运行 状态完全取决于大气湍流特性，实际上气体的浓 度分布开始接近为高斯形状，仍然假定为均匀就 不再合理。因此箱模型通常都有从均匀气云向高 斯分布的转折点，即重气扩散向非重气扩散的转 折点，采用理查逊数、沉降速度和速度尺度的关 系，或者运用云团密度与周围空气的密度差来判 断。
箱模型实例（by Van Ulden，1970）
g ( a )H dR Uf k dt r
1 2
ρr，ρa－为气云的“参考”密度和空气密度，kg· -3； m K－为常数。
箱模型对重气研究基本假定
对于重气连续泄漏形成的烟羽，一般把箱模型看 作一个矩形，如Jagger在Fryer & Kaiser提出的 烟团模型DENZ的基础上，开发了相应的烟流模型 CRUNCH，用来模拟稳态连续泄漏。 模型假定高为H、宽为2L的矩形截面，原先半径和 高度随时间变化的微分方程变成半宽和高度随下 风距离变化的方程，原先径向重力扩散速度变成 了侧向重力扩散速度。
E~F
472 1985年
相似模型介绍
相似模型主要是针对HEGADAS以及以HEGADAS为基 础开发的模型。相似模型是对箱模型概念的扩展， 考虑了气云内部浓度和速度的分布，并采取了湍 流扩散系数而非空气卷吸速度的方法。 壳牌公司HEGADAS模型是HGSYSTEM系统软件包的重 要组成部分，HEGADAS模型即有处理稳定连续释放 的定常态版本，也有预报来自液化气液池蒸发在 中等或高风下扩散的瞬间版本。 DEGADIS模型是在HEGADAS模型基础上作的改进， 是美国海岸警卫队和气体研究院开发的。