毒物泄漏及扩散模型第四次

CASE-6：有风情况下稳态连续点源释放，湍流扩散系数各向异性
与CASE-4相同，差别在于扩散系数
●连续释放， Qm=常数
●风沿一个方向如x方向： uj uxu常 数
● Kx Ky Kz
●边界条件： r r,c0;
化简为：
u ct Kx x2c2Ky y2c2Kz z2c2
Cx,y,z4xQ K myKzexp4 uxK y2 yK z2 z
• 考虑固定质量Qm的物质瞬时泄漏到无限膨胀扩张的空气中，坐标 系固定在释放源处。假设不发生反应，或不存在分子扩散，释放所 导致的物质的浓度C可由式(5-1)。
（5-1 ）
5.2 中性浮力扩散模型
• 考虑到湍流的影响，用平均值和随机量来代替速度；
5.2 中性浮力扩散模型
c
c
t xj
ujc
4.释放高度
对地面浓度的影响很大，释放高度越大，地面浓度越低。
。
• 随着泄漏高度
的增加，烟羽
达到地面的时
H2 H1
L2 L1
间和距离均增 加；此外，烟 羽到达地面时 的浓度也会更
低，原因是烟
图5-5 泄漏高度增加地面浓度降低
羽被更多的稀 释。
5.释放物质的浮力和动量
释放物质的浮力和动量改变了泄漏的有效高度；释放物 质的物化性质决定了扩散影响的区域和程度。
二、释放机理
大孔和有限孔
内容回顾
第四章泄漏源模型
三、7个基本模型 液体经孔洞流出 液体经贮罐上的孔洞流出 液体经管道流出 蒸汽经孔洞流出，塞压 气体经管道流出 闪蒸液体 液池蒸发或沸腾
第五章：毒物泄漏及扩散模型
主要内容：
• 有毒物质泄漏及扩散模型的意义、步骤、作用。 • 扩散影响参数。 • 中性浮力扩散模型、14个例子； • Pasquill-Gifford模型 • 重气扩散 • 毒性作用标准 • 释放动量和浮力的影响 • 释放缓解
Cx,y ,z,t
4
t32Q m K xK yK zexp 4 1 t K x2 xK y2 yK z2 z
（5-34）
Cx ,y ,z,t8t32Q m K xK yK zex p 4 1 t K x2 xK y2 yK z2 z
（CASE-5）
（5-29）
3. 地面条件
地面条件：影响地表的机械混合和随高度变化的风速
•
风速梯度 500
400
高 度 M 300
•
200
100
0 城市
•
郊区
光滑水面
图5-3 地面情况对垂直风速梯度的影响
地面条件通过对大 气施加曳力（摩擦 力）改变风速分布 及大小。
平坦的地面、水面 等曳力小。
高层建筑、密集建 筑群等曳力、起作 用的范围均比较大。
● 无风： u j 0
● 稳态： c 0
t
● 湍流扩散系数不变（所有方向上 K j = K * ）
●边界条件： r r,c0;
c
t xj
ujc
xj
Kt
c xj
2c x2
2c y2
2c z2
0
经坐标变换和积分：
C
x,y,z
Qm
4K*
1 x2+y2+z2
（5-16 ）
5.2 中性浮力扩散模型：处理
2. 大气稳定度
稳定度划分：不稳定、中性和稳定 划分标准：对地面加热速度与地面散热速度相对快慢 • 1 加热速度＞地面散热速度
地面附近的空气温度比高处的空气温度高，地表附近空气 的密度小，上层空气密度大，密度小的空气在这种浮力 作用下上升，导致大气不稳定。[晴天上午9、10点后，肉 眼会观测到地表升腾；春秋早晨水雾消散]。F浮＞F重 • 2 加热速度=散热速度。热量对大气扰动很小，但很难长 久保持。F浮=F重 • 3 加热速度＜散热速度。地面附近的温度比高处空气的温 度低，地表附近空气密度大于高处空气的密度。F浮＜F 重。重力影响抑制了大气机械湍流。
Cx,y,z,t 8(Q K m **t)32expx2+ 4K y2*+ tz2
（5-20 ）
5.2 中性浮力扩散模型：处理
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
CASE-3：无风情况下的非稳态连续点源释放(从开始释放到达到稳态前) ● 质量释放速率不变： Qm=常数 ●无风： u j 0 ● 湍流扩散系数不变（所有方向上 K j = K * ） ● 初始条件： t 0,C x,y,z 0 ●边界条件： r r,c0;
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
CASE-2：无风烟团扩散
●
一定量
Q
* 的物质瞬间释放
m
●无风：
uj 0
● 湍流扩散系数不变（所有方向上 K j = K * ） ● 边界条件： r r,c0;
c
t xj
ujc
xj
Kt
c xj
K 1* c t x 2c 2 y 2c 2 z 2c 2d drr2d dc r
图5-1 物质连续泄漏形成烟羽
1. 风
物质瞬时泄漏形成烟团
风
物质瞬时 泄漏生成
烟团
三个烟团表面浓度相等：c环
t1时的烟团
t 2时的烟团
烟团向下风移动并通过与新鲜空气混合而消散
图5-2 物质瞬时泄漏形成烟团
5.1 扩散影响参数
多个因素影响着毒害物质在大气中的扩散： 风速； 大气稳定度； 地形条件（建筑物、地面类型、地面构 筑物）； 释放源离地面的高度； 释放的初始动量和浮力。
5.2 中性浮力扩散模型：处理
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
CASE-9：释放源在地面上的稳态烟羽 与CASE-6相同，但释放源位于地面，如图5-9所示。地面不能 渗透。结果是浓度应是CASE-6的浓度的2倍
Cx,y,z2xQ K myK zexp4 u xK y2 yK z2 z
（5-35）
Cx,y,z4xQ K myK zexp4 u xK y2 yK z2z
5.1 扩散影响参数
• 扩散模型用于描述事故释放后由释放源开始向 其他地点及大范围区域的大气输送过程。释放 发生后，大气中的毒害物质在风作用下以烟羽 方式（连续源，图5-1）、或云团方式（瞬时源， 图5-2）带走。
1. 风
物质连续泄漏形成烟羽
风
连续泄漏处
形 状 与 风 速 有 关 、与 气 云 性 质 有 关 、地 形 ，释 放 源 位 置 及性质有关 烟羽：通过与新鲜空气混合而消散
沿烟羽中心线
yz0
C
x,0,0
Qm
4K*x
（5-27）
5.2 中性浮力扩散模型：处理
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
CASE-5：无风时的烟团, 湍流扩散系数是各向异性
●烟团释放， Qm*const ●无风： u j 0 ●湍流扩散系数不同 Kx,Ky,Kz
●边界条件： r r,c0;
c
t xj
ujc
xj
c
Kt
xj
（5-7）
化简为：
ct Kxx2c2Kyy2c2Kzz2c2
C x,y,z,t8 t3 /2 Q K * xK m yK zex 4 1 p t K x2 xK y2 yK z2 z （5-29）
5.2 中性浮力扩散模型：处理
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
（CASE-6）
（5-31）
5.2 中性浮力扩散模型：处理
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
CASE-10：连续的稳态源。释放源在地面上方
对此种情形，地面起着距源H处的不能渗透的边界作用 。
●连续释放， Qm=常数 ●风沿一个方向x方向： uj uxu常 数 ● Kx Ky Kz
5.2 中性浮力扩散模型
z
不同时刻烟团表面浓度相等
风向，风速u
x
0
t2时的烟团
t1时的烟团，
y
以速度u向下风 处移动
图5-8 风作用下烟团随风的移动 x：风向；y：横风向；z：垂直风向
5.2 中性浮力扩散模型：处理
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
CASE-1：无风情况下、稳态、连续点源释放 ● 质量释放速率不变： Qm=常数
（5-7）化简为：
1 c 2c 2c 2c K*t x2 y2 z2
Cx,y,z,t
4QK m*rerfc
x2+y2+z2
2 K*t
（5-22）
5.2 中性浮力扩散模型：处理
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
CASE-4：有风情况下的稳态连续点源释放
●质量释放速率不变： ●风沿一个方向如x方向：
化工安全工程
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1
内容回顾
第四章泄漏源模型
一、源模型简介 依据描述物质释放时所表现出的物理化学 过程的理论，或传递过程理论及经验方程 而建立。 作用：源模型给出了流出速率、流出总量 (总时间)和流出状态。
（5-31）
沿烟羽中心， y z 0
CHale Waihona Puke xQm4x KyKz
（5-32）
5.2 中性浮力扩散模型：处理
A：采用湍流扩散系数Kj的情形
CASE-7：有风下的烟团
与CASE-5相同，但有风
●烟团释放，
Qm*Const
●风沿x方向：
uj uxu常 数
●各方向湍流扩散系数不同，Kx Ky Kz
●边界条件： r r,c0;
5.释放物质的浮力和动量
释放物质的浮力和动量改变了泄漏的有效高度；释放 物质的物化性质决定了扩散影响的区域和程度。