基于非结构化网格浓度场计算的危化品气团扩散时空动态重构方法与流程

本发明涉及数据处理，更具体地说，本发明涉及基于非结构化网格浓度场计算的危化品气团扩散时空动态重构方法。

背景技术：

1、危化品气团扩散动态重构技术是一种通过融合泄漏源信息、环境气象条件以及空间浓度监测数据，对危化品泄漏后在空间区域内的扩散过程进行模拟与预测的方法，广泛应用于化工园区安全监管、危险源应急处置以及事故影响范围评估等领域。在危化品泄漏扩散过程中，气团受到泄漏初始状态、周围气流环境以及地形空间结构等因素共同影响，其浓度分布通常呈现明显的非均匀性和动态变化特征。为了提高复杂空间环境下扩散计算的适应能力，通常采用非结构化网格对实际区域进行离散划分，通过多个不规则分布的三角形网格描述空间区域，并结合监测数据建立连续浓度场，从而实现对危化品气团扩散过程的空间表达与动态重构。

2、然而，在基于非结构化网格进行危化品气团扩散计算过程中，由于三角形网格之间的连接关系由空间几何划分确定，其相邻网格中心之间的连线方向通常难以与危化品气团实际扩散锋面的传播方向保持一致。当气团扩散锋面经过不同方向排列的网格区域时，浓度变化信息会沿网格连接方向进行离散传递，而实际扩散过程中的浓度梯度主要沿扩散锋面的法向方向变化，由此导致网格连接方向与扩散方向之间产生偏差，使浓度扩散信息在法向和切向方向上的传递存在不一致现象。尤其是在浓度变化剧烈的扩散锋面区域，传统基于网格连接方向的扩散计算方式难以准确描述锋面附近的浓度变化趋势，容易造成扩散锋面位置偏移、边界形态失真以及动态重构结果与实际扩散过程存在差异。针对上述问题，本发明提出一种解决方案。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供基于非结构化网格浓度场计算的危化品气团扩散时空动态重构方法，通过基于非结构化网格构建浓度分布场、识别扩散锋面法向方向并对法向与切向扩散梯度进行正交分解和通量补偿重构，以解决在非结构化网格进行危化品气团扩散计算过程中，由于相邻网格之间的连接方向与危化品气团扩散锋面的实际传播方向存在偏差，导致浓度扩散信息在法向和切向上的传递不一致的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、基于非结构化网格浓度场计算的危化品气团扩散时空动态重构方法，包括以下步骤：获取危化品气团扩散的浓度监测数据和气象数据，并将浓度监测数据和气象数据在非结构化网格上进行空间插值重建，得到浓度分布场，所述非结构化网格是由若干个三角形网格构成；计算浓度分布场中每个三角形网格中心的浓度梯度，并根据浓度梯度方向识别危化品气团扩散锋面的法线方向，得到锋面法向场；沿锋面法向场对相邻三角形网格中心连线方向上的浓度差值进行正交投影分解，得到浓度扩散梯度集；对浓度扩散梯度集沿危化品气团扩散锋面的切线方向进行通量补偿重构，得到扩散补偿通量集；基于扩散补偿通量集对每个三角形网格的浓度值按照预设时间步长逐次更新，得到时空动态重构序列。

4、在一个优选的实施方式中，所述获取危化品气团扩散的浓度监测数据和气象数据，并将浓度监测数据和气象数据在非结构化网格上进行空间插值重建，得到浓度分布场，具体为：获取危化品泄漏源位置信息，并基于泄漏源位置信息设定非结构化网格的边界范围；在边界范围内采用预设的三角剖分算法生成非结构化网格，并提取每个监测站点在非结构化网格中对应的空间节点；获取每个监测站点的浓度监测数据与气象数据，并分配至对应的空间节点；采用插值算法将分配至空间节点的浓度监测数据沿非结构化网格的每个三角形网格进行曲面拟合，得到每个三角形网格的浓度分布函数；基于每个三角形网格的浓度分布函数计算非结构化网格中每个三角形网格的浓度插值，得到浓度分布场。

5、在一个优选的实施方式中，所述采用插值算法将分配至空间节点的浓度监测数据沿非结构化网格的每个三角形网格进行曲面拟合，得到每个三角形网格的浓度分布函数，具体为：提取非结构化网格中任意一个三角形网格的三个顶点坐标及其对应的浓度值，并获取该三角形网格中任意一点的待插值坐标；计算待插值坐标到三个顶点中每个顶点的欧氏距离，分别得到第一距离、第二距离和第三距离；分别以第一距离、第二距离和第三距离作为自变量，代入预设的径向基函数中，得到三角形网格中三个顶点对应的三个基函数值；将三个基函数值和三个顶点对应的浓度值进行加权插值计算，得到待插值坐标处的插值浓度；将待插值坐标替换为三角形网格内的任意坐标，重复上述步骤，并构建三角形网格内部任意坐标与插值浓度之间的映射关系，得到每个三角形网格的浓度分布函数。

6、在一个优选的实施方式中，所述计算浓度分布场中每个三角形网格中心的浓度梯度，并根据浓度梯度方向识别危化品气团扩散锋面的法线方向，得到锋面法向场，具体为：对每个三角形网格内部的浓度分布函数分别沿空间坐标系的水平方向和垂直方向求偏导数，得到每个三角形网格的浓度梯度向量；将每个三角形网格的浓度梯度向量按照该三角形网格的面积加权平均至其三个顶点，得到每个顶点的浓度梯度向量；提取每个顶点的浓度梯度向量的方向角，并将方向角作为该顶点处的扩散锋面法线方向，得到锋面法向场。

7、在一个优选的实施方式中，所述沿锋面法向场对相邻三角形网格中心连线方向上的浓度差值进行正交投影分解，得到浓度扩散梯度集，具体为：

8、提取非结构化网格中每个三角形网格的中心坐标，并构建所有三角形网格的相邻关系图，所述相邻关系图以每个三角形网格的中心为节点，以共用边的两个三角形网格的中心连线为边；根据锋面法向场，获取相邻关系图中每条边所对应的两个三角形网格中心连线方向上的第一法向分量和该两个三角形网格中心连线方向上的第一切向分量；提取每条边所对应的两个三角形网格中心的浓度值，计算两个三角形网格中心的浓度差值；将浓度差值分别投影至第一法向分量和第一切向分量，得到每条边上的法向浓度差分值和切向浓度差分值；将每条边上的法向浓度差分值除以对应两个三角形网格中心之间的空间距离，得到法向浓度扩散梯度，并将每条边上的切向浓度差分值除以对应两个三角形网格中心之间的空间距离，得到切向浓度扩散梯度；将法向浓度扩散梯度和切向浓度扩散梯度按照相邻关系图的节点进行关联存储，得到浓度扩散梯度集。

9、在一个优选的实施方式中，所述对浓度扩散梯度集沿危化品气团扩散锋面的切线方向进行通量补偿重构，得到扩散补偿通量集，具体为：提取相邻关系图中的与每个节点相邻的所有边对应的切向浓度扩散梯度，得到每个节点的邻域切向梯度序列；计算每个节点的邻域切向梯度序列的算术平均值，得到每个节点的平均切向梯度；基于平均切向梯度对每个节点的邻域切向梯度序列进行异常值检测，得到检测后的邻域切向梯度序列；重新计算检测后的邻域切向梯度序列的平均值，得到每个节点的补偿切向梯度；将补偿切向梯度乘以每个节点与相邻节点之间的空间距离，得到每个节点与相邻节点之间的通量补偿值；将所有节点对应的通量补偿值按照相邻关系图的边进行汇聚，得到扩散补偿通量集。

10、在一个优选的实施方式中，所述将补偿切向梯度乘以每个节点与相邻节点之间的空间距离，得到每个节点与相邻节点之间的通量补偿值，具体为：计算每个节点与相邻节点之间的空间距离，并计算补偿切向梯度与空间距离的乘积，得到每个节点指向相邻节点方向上的初始通量补偿值；提取相邻节点的补偿切向梯度，并计算相邻节点的补偿切向梯度与空间距离的乘积，得到相邻节点指向每个节点方向上的逆向初始通量补偿值；将初始通量补偿值与逆向初始通量补偿值进行算术平均，得到每个节点与相邻节点之间的通量补偿值。

11、在一个优选的实施方式中，所述基于扩散补偿通量集对每个三角形网格的浓度值按照预设时间步长逐次更新，得到时空动态重构序列，具体为：获取预设时间步长，并根据预设时间步长确定每个时间步内的浓度变化时间间隔；将每个三角形网格的通量补偿值按照该三角形网格的面积进行归一化，得到每个三角形网格的浓度变化率；将每个三角形网格的浓度变化率乘以预设时间步长，得到每个三角形网格在预设时间步长内的浓度变化量；将每个三角形网格的当前浓度值与浓度变化量进行叠加，得到每个三角形网格在下一时间步的更新浓度值；将所有三角形网格的更新浓度值按照非结构化网格的空间拓扑关系进行组合，得到当前时间步的浓度分布更新场，并按照时间顺序依次存储所有时间步的浓度分布更新场，得到时空动态重构序列。

12、在一个优选的实施方式中，所述将每个三角形网格的通量补偿值按照该三角形网格的面积进行归一化，得到每个三角形网格的浓度变化率，具体为：获取扩散补偿通量集中每个三角形网格对应的通量补偿值，并将通量补偿值除以三角形网格的面积，得到每个三角形网格的单位面积通量补偿值；提取每个三角形网格的中心坐标，并获取锋面法向场中该中心坐标处的锋面法线方向；计算单位面积通量补偿值在锋面法线方向上的法向分量，得到该三角形网格的浓度变化率。

13、本发明基于非结构化网格浓度场计算的危化品气团扩散时空动态重构方法的技术效果和优点：

14、本发明通过获取危化品气团扩散过程中的浓度监测数据和气象数据，并基于非结构化三角形网格进行空间插值重建，形成能够反映实际扩散区域浓度变化的浓度分布场；进一步计算各三角形网格中心的浓度梯度，根据浓度梯度方向识别危化品气团扩散锋面的法线方向，构建与实际扩散趋势相匹配的锋面法向场；在此基础上，沿锋面法向场对相邻三角形网格中心连线方向上的浓度差值进行正交投影分解，将受网格连接方向影响的混合扩散信息分离为法向扩散梯度和切向扩散梯度，并针对扩散锋面切线方向的浓度传递特征进行通量补偿重构，获得更加符合危化品气团实际扩散规律的扩散补偿通量集；最后基于扩散补偿通量集按照时间步长对各三角形网格浓度值进行连续更新，形成危化品气团扩散时空动态重构序列。通过上述方式，使浓度扩散计算过程能够适应非结构化网格中相邻网格连接方向与危化品气团扩散锋面实际传播方向之间的偏差，避免因网格方向约束导致浓度扩散信息在法向和切向传递过程中的不一致问题，提高扩散锋面位置、形态变化以及整体浓度场动态演化过程的重构准确性。