一种基于改进高斯烟羽模型的二氧化氮泄露模拟方法

1.本发明涉及二氧化氮泄露模拟技术领域，具体涉及一种基于改进高斯烟羽模型的二氧化氮泄露模拟方法。


背景技术：

2.二氧化氮是一种有毒的刺激性红棕色气体，分子式为no2。它常被用作化学反应和火箭燃料中的氧化剂，亚硝基法生产硫酸中的催化剂，并可用于工业生产硝酸。
3.二氧化氮形成硝酸和硝酸盐雾，比二氧化硫更有毒，可以渗透到人体肺部。即使短时间接触no2，肺功能也会受损；长期接触no2会增加呼吸道感染的机会，并可能导致肺部永久性的器质性改变。为研究有毒气体的扩散，国内外的专家提出多种气体扩散模型，并基于风速和地形两要素上对高斯烟羽模型进行不断地改进。但是缺少对于其他自然环境因素的研究，尤其是对于降雨这一最常见的自然因素，且其对于一些可溶于水的气体扩散来说，影响能力十分强大。所以仍然需要对考虑其他常见自然因素变化的高斯烟羽模型的进行研究，使模型更加真实。为此，提出一种基于改进高斯烟羽模型的二氧化氮泄露模拟方法。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于：如何解决降雨以及地形两个环境因素对扩散的影响，提高模型的真实性，提供了一种基于改进高斯烟羽模型的二氧化氮泄露模拟方法，本方法主要针对降雨量以及地面粗糙度两个因素对该气体扩散模型的影响，通过加入雨洗作用以及地面粗糙度以后该模型的扩散浓度、扩散距离的数值关系对比，模拟出二氧化氮气体扩散的浓度范围对比。
5.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：
6.s1：给出假设条件，控制其他变量的影响；
7.s2：确定泄露源位置，作为扩散坐标系原点；
8.s3：根据标准大气环境设定源强、大气稳定度、温度、气压、风速、扩散高度；
9.s4：在传统的源强公式中引入雨洗作用量因子，进而改变传统的高斯烟羽模型公式；
10.s5：在传统的源强公式中引入地面粗糙系数因子，进而改变传统的高斯烟羽模型公式；s6：在分别引入雨洗作用量以及粗糙度，观察x,y轴方向距离与扩散浓度之间的曲线关系以及扩散范围变化；
11.s7：根据对比不同雨洗作用量下，不同粗糙度下的等浓度曲线，选出最优的雨洗作用量以及粗糙度形成最终的高斯烟羽模型公式，观察x,y轴方向上不同距离与扩散浓度之间的数值关系以及扩散浓度变化。
12.更进一步地，在所述步骤s1中，假设条件为在二氧化氮气体泄漏的整个过程中，风速是均匀稳定且风向不变，温度呈均匀分布，不存在热传导、热对流和热辐射，遵循质量守恒定律。
13.更进一步地，在所述步骤s1中，假设条件下的传统高斯烟羽模型公式如下：
[0014][0015]
其中，点(x，y，z)处的污染物浓度为c；q为泄露时气体的释放速度；σy，σz为对应方向上的扩散系数，取值按照pasquill方法，中文名为帕斯奎尔—特纳大气稳定度，分类是利用常规气象观测资料将大气稳定度划分为a～f6个级别的分类法，a类表示极不稳定，常见于夏季午后湍流发展旺盛时；d类为中性，多见于阴天或大风天气；f类最稳定，常见于冬季寒夜逆温发展强盛之时；u为平均风速；x,y,z为x、y、z三轴方向上的距离；h为烟囱高度，在本发明中设置为0,用z轴代替其高度。
[0016]
更进一步地，在所述步骤s2中，扩散坐标系包括x、y、z三轴，其中，所述x轴上的距离值x表示下方向距离，y轴上的距离值y表示横风向距离，z轴在本发明中保持不变，设置为烟囱高度。
[0017]
更进一步地，在所述步骤s3中，根据国家标准大气环境进行赋值，其中，风速为正常风速取2.5m/s,大气稳定度根据pasquill法取c级,取扩散高度数值为20m；源强根据质量流速公式，计算得出结果为7.8kg/s；根据国家标准设置大气环境温度、气压分别为273.15k和101.325kpa。且温度均匀分布，不存在热传导、热对流和热辐射。
[0018]
更进一步地，在所述步骤s4中，对于雨洗作用所导致的烟羽消耗，用湿沉降消耗系数来修正源强度：
[0019][0020]
其中，i为雨强(mm/h)；a，b为经验系数，按照是否含有碘来进行取值；由此得到新的高斯烟羽模型公式：
[0021][0022]
更进一步地，在所述步骤s5中，地面粗糙度有两种含义，一种是表示地面凹凸不平的程度，另一种表示物体表面对流体影响的一个综合力学参数，是地表和大气之间的相互作用，得到修正后的高斯烟羽模型公式：
[0023][0024]
其中，σ
y1
为加入粗糙元素后垂直于主导风方向(x轴)的横向扩散系数，表达式如下：
[0025]
σ
y1
＝σy(1 0.38z0)
[0026]
z0为粗糙度系数；
[0027]
σ
z1
为加入粗糙元素后铅直方向(z轴)的扩散系数，表达式如下：
[0028][0029]
更进一步地，在所述步骤s7中，将步骤s4中的源强度表达式、更新后的高斯烟羽模
型公式以及步骤s5中修正后的高斯烟羽模型公式结合，得到最终的高斯烟羽模型公式：
[0030][0031]
本发明相比现有技术具有以下优点：该基于改进高斯烟羽模型的二氧化氮泄露模拟方法，通过对工厂环境中二氧化氮扩散问题的研究，分析二氧化氮气体泄漏时，地面粗糙度和雨洗作用的影响能力，确定了给定条件以后的扩散距离以及扩散范围，找出扩散规律并改进了高斯烟羽模型；对比在不同雨强下的下风向距离与浓度关系曲线图，在不同地面粗糙度下的横风向距离与浓度关系曲线图，进而分析得出雨洗作用对下风向距离的影响随着降雨量的增大而增大；地面粗糙度对距离的影响随着粗糙度系数的增大而减小，且对横风向距离的影响能力比对下风向距离影响深；在传统的高斯烟羽模型中加入了雨洗作用与地面粗糙度两种因素以后形成了改进的高斯烟羽模型；这两个因素既能单独影响扩散结果，又能综合影响扩散结果，且地面粗糙度的加入使得高斯烟羽模型在初泄露时更符合实际的气体泄露情况。
附图说明
[0032]
图1是本发明实施例一中基于改进高斯烟羽模型的二氧化氮泄露模拟方法的流程示意图；
[0033]
图2是本发明实施例二中传统高斯烟羽模型下二氧化氮扩散等浓度曲线；
[0034]
图3a是本发明实施例二中雨强i＝1.5mm/h下的二氧化氮扩散等浓度曲线；
[0035]
图3b是本发明实施例二中雨强i＝3mm/h下的二氧化氮扩散等浓度曲线；
[0036]
图3c是本发明实施例二中雨强i＝12mm/h下的二氧化氮扩散等浓度曲线；
[0037]
图4a是本发明实施例二中粗糙度z0＝1.52下的二氧化氮扩散等浓度曲线；
[0038]
图4b是本发明实施例二中粗糙度z0＝1.23下的二氧化氮扩散等浓度曲线；
[0039]
图4c是本发明实施例二中粗糙度z0＝0.74下的二氧化氮扩散等浓度曲线；
[0040]
图5是本发明实施例二中下风向距离与浓度关系图。
具体实施方式
[0041]
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0042]
实施例一
[0043]
如图1所示，本实施例提供一种技术方案：一种基于改进高斯烟羽模型的二氧化氮泄露模拟方法，包括以下步骤：
[0044]
s1：给出假设条件，控制其他变量的影响；
[0045]
s2：确定泄露源位置，作为扩散坐标系原点；
[0046]
s3：根据国家标准大气环境设定源强、大气稳定度、温度、气压、风速、扩散高度等参数；
[0047]
s4：在传统的源强公式中引入雨洗作用量因子，进而改变传统的高斯烟羽模型公
式；
[0048]
s5：在传统的源强公式中引入地面粗糙系数因子，进而改变传统的高斯烟羽模型公式；
[0049]
s6：在分别引入雨洗作用量以及粗糙度，观察x,y轴方向距离与扩散浓度之间的曲线关系以及扩散范围变化；
[0050]
s7：根据对比不同雨洗作用量下，不同粗糙度下的等浓度曲线，选出最优的雨洗作用量以及粗糙度形成最终的高斯烟羽模型公式，观察x,y轴方向上不同距离与扩散浓度之间的数值关系以及扩散浓度变化。
[0051]
在所述步骤s1中，假设条件为在二氧化氮气体泄漏的整个过程中，风速是均匀稳定且风向不变，温度呈均匀分布，不存在热传导、热对流和热辐射，遵循质量守恒定律。
[0052]
在所述步骤s1中，假设条件下的传统高斯烟羽模型公式如下：
[0053][0054]
其中，点(x，y，z)处的污染物浓度为c(单位记作：mg/m3)；q为泄露时气体的释放速度(kg/s)；σy，σz为对应方向上的扩散系数，取值按照pasquill方法，中文名为帕斯奎尔—特纳大气稳定度，分类是利用常规气象观测资料将大气稳定度划分为a～f6个级别的分类法。a类表示极不稳定，常见于夏季午后湍流发展旺盛时；d类为中性，多见于阴天或大风天气；f类最稳定，常见于冬季寒夜逆温发展强盛之时；u为平均风速(m/s)；x,y,z为x、y、z三轴方向上的距离(m)；h为烟囱高度(m)，在本实施例中设置为0,用z轴代替其高度。
[0055]
在所述步骤s2中，扩散坐标系包括x、y、z三轴，其中，所述x轴上的距离值x表示下方向距离，y轴上的距离值y表示横风向距离，z轴在本发明中保持不变，设置为烟囱高度。
[0056]
在所述步骤s2中，本实施例中所采取的场景是以钢管厂的泄露事故为例。
[0057]
在所述步骤s3中，根据国家标准大气环境进行赋值，其中，风速为正常风速取2.5m/s,大气稳定度根据pasquill法可知取c级,选取钢管厂的高度作为扩散高度数值为20m；源强根据质量流速公式，计算得出结果为7.8kg/s；根据国家标准设置大气环境温度、气压分别为273.15k和101.325kpa；且温度均匀分布，不存在热传导、热对流和热辐射。
[0058]
在所述步骤s4中，将雨洗作用拓展开，降雨可以清洗扩散气体中的颗粒和气溶胶，最终导致降雨和气体的混合物沉淀到地面，这种沉积可以称为湿沉积；以冲洗系数∧来表示，对于雨洗作用所导致的烟羽消耗，可用湿沉降消耗系数来修正源强度：
[0059][0060]
其中，i为雨强(mm/h)；a,b为经验系数，按照是否含有碘来进行取值(含碘：a＝8
×
10-5
,b＝0.6；不含碘：a＝1.2
×
10-5
,b＝0.5)；由此得到新的高斯烟羽模型公式：
[0061][0062]
根据国家气象总局给定的雨强级别分类表选出i＝[1.5,3,12]mm/h作为代表，分布代表小雨，暴雨，特大暴雨三种降雨量；代入(3)式计算并绘制出不同雨强下二氧化氮扩散分布图；在横风向距离10m处，研究在三种不同雨强级别下，浓度与下风向距离之间的变
化关系并绘制其相关曲线图。
[0063]
在所述步骤s5中，地面粗糙度有两种含义，一种是表示地面凹凸不平的程度，另一种表示物体表面对流体影响的一个综合力学参数，是地表和大气之间的相互作用。因此得到修正后的高斯烟羽模型公式：
[0064][0065]
其中，σ
y1
为加入粗糙元素后垂直于主导风方向(x轴)的横向扩散系数，表达式如下：
[0066]
σ
y1
＝σy(1 0.38z0)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0067]
其中，z0为粗糙度系数；粗糙度系数根据表1可得。
[0068]
表1：粗糙度取值
[0069]
离地高度(m)粗糙度类别(a)粗糙度类别(b)粗糙度类别(c)51.091.000.65101.281.000.65151.421.130.65201.521.230.74
[0070]
其中，σ
z1
为加入粗糙元素后铅直方向(z轴)的扩散系数，表达式如下：
[0071][0072]
地面粗糙度大致可分别a类,b类，c类；a类是指近海海岛、沙漠地区等荒无人烟的地方，b类是指田野、村庄、丛林、山丘、城镇、郊区等人烟稀少的地方，c类是指建筑密集的城区；根据表1可知，在不同高度情况下，同类别的粗糙度大小不相同；对于a类，接近平原地形，高度越高，粗糙度系数越大，之间的差值也很大；对于b类，它区别a类的不同在于它设置的情景已经出现一些建筑类或者对于地形学上来说已经出现一些凸起；但是对于c类，由于建筑密集，当气体开始扩散时，会很快受到凸起物的干扰；在高度为5m，10m，15m时粗糙度系数并没有受到影响，只在20m处凸起物引起了粗糙度系数的增大；根据国家规定，一般住户楼层的总高度至少在15m～20m，而山峰或者凸起山丘的高度也会高于20m。而本发明主要是为当烟气扩散时，对于人员疏散能够提供一些预防方法的模拟；所以在本发明中选取高度为20m处地面粗糙度进行计算。
[0073]
在所述步骤s7中，将(2),(3),(4)结合得到最终的高斯烟羽模型公式：
[0074][0075]
实施例二
[0076]
本发明采用引入不同雨强与不同粗糙度大小对传统的高斯烟羽模型进行修正。首先根据所给的基本值，绘出传统高斯烟羽模型的扩散图(如图2所示)。然后引入三个不同程度的雨强后，再次进行数据汇总并进行绘出扩散图，图3即是不同雨强下的扩散图。然后引入三个不同程度的地面粗糙度后，再次进行数据汇总并进行绘出扩散图，图4显示是不同粗
糙度下的扩散对比图。最后选出最好效果的雨强与粗糙度共同引入公式，绘出下风向距离与浓度关系图，如图5所示。
[0077]
根据图2和图3(a)对比可得，当i＝1.5mm/h时虽然整体面积没有明显的变化，但是最高浓度由744mg/m3降为714mg/m3。根据图2和图3(b)对比可得，当i＝3mm/h时在下风向(x方向)距离为1000m时，横风向(y方向)单边距离减小为90m，整体的面积可根据图形中所展示椭圆形面积计算，大概为240000m2。根据图2和图3(c)对比可得，当i＝12mm/h，椭圆形面积明显变小，下风向距离最远为800m，横风向单边距离为70m。所以整体的面积计算结果为128000m2。
[0078]
根据图2与图4(a)对比可得，当粗糙度系数为1.52时整体面积很明显的变化，但是最高浓度由744mg/m3变为1600mg/m3；虽然数值变大，但是达到最高浓度值的下风向距离(x轴)不同。传统的高斯烟羽模型在下风向距离为200m(图2高亮部分)处左右即可获得，引入地面粗糙度的高斯烟羽模型其浓度最高值在下风向距离(x轴)10m处(图示高亮部分)左右即可获得。在实际生活中，气体扩散时浓度值最大的就是在泄漏源附近或者说就是泄露源处。因此，传统的高斯烟羽模型在这一模拟上存在不足，而加入粗糙度系数的高斯烟羽模型更加贴近实际。
[0079]
根据图2与图4(b)对比可得，当粗糙度系数为1.23时最高浓度由744mg/m3变为1620mg/m3。根据图2与图4(c)对比可得，当粗糙度系数为0.74时最高浓度由744mg/m3变为1610mg/m3。由以上可知，浓度最大值并不是跟随粗糙度系数的线性变化而进行线性变化，且从图形来看，粗糙度系数从大到小，扩散范围就像一张面饼被逐渐向x方向摊开。
[0080]
从图5中可知，(1)同一下风向距离，改进的高斯烟羽模型的二氧化氮扩散浓度小于传统的高斯烟羽模型的二氧化氮扩散浓度，(2)改进的高斯烟羽模型在下风向距离近似为150m处，取得浓度最大值180mg/m2,传统的高斯烟羽模型在下风向距离近似为250m处，取得浓度最大值744mg/m2。改进的高斯烟羽模型扩散范围可近似为椭圆形面积为60500m2，小于采用传统的高斯烟羽模型时的扩散范围。得出雨洗作用与地面粗糙度的结合可有效减小二氧化氮扩散范围，降低扩散浓度且将浓度最大值提前至更接近泄漏点处，使改进的高斯烟羽模型更接近于实际情况。
[0081]
综上所述，上述实施例的基于改进高斯烟羽模型的二氧化氮泄露模拟方法，通过对工厂环境中二氧化氮扩散问题的研究，分析二氧化氮气体泄漏时，地面粗糙度和雨洗作用的影响能力，确定了给定条件以后的扩散距离以及扩散范围，找出扩散规律并改进了高斯烟羽模型；对比在不同雨强下的下风向距离与浓度关系曲线图，在不同地面粗糙度下的横风向距离与浓度关系曲线图，进而分析得出雨洗作用对下风向距离的影响随着降雨量的增大而增大；地面粗糙度对距离的影响随着粗糙度系数的增大而减小，且对横风向距离的影响能力比对下风向距离影响深；在传统的高斯烟羽模型中加入了雨洗作用与地面粗糙度两种因素以后形成了改进的高斯烟羽模型；这两个因素既能单独影响扩散结果，又能综合影响扩散结果，且地面粗糙度的加入使得高斯烟羽模型在初泄露时更符合实际的气体泄露情况。
[0082]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。