一种模拟重气在市内街道扩散的方法技术

本发明专利技术公开了一种模拟重气在市内街道扩散的方法，其特征在于，构造了基于细胞自动机(Cellularautomata)-气团模型，用以进行上述情况模拟，将气体的宏观扩散等效视为多个气团，使用细胞自动机生成气团的运动模型；将气团的特征表示为Qi(Vi0,xi,yi)，参考高斯模型确定影响半径D用以区分浓度梯度扩散Sd和自由扩散Sf，并构造了边界接触条件，假设了模拟的市内环境，使用该模型在大气稳定状态下模拟氨气扩散；其包括如下步骤：确定影响半径D，气团自动机模型，气团运动速度变化量的改变量的确定，边界接触条件，设定模型建立参数，进行模拟；本发明专利技术可用于市内街道布局复杂情况下无风作用的气体扩散分布模拟。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，其特征在于，构造了基于细胞自动机(Cellularautomata)-气团模型，用以进行上述情况模拟，将气体的宏观扩散等效视为多个气团，使用细胞自动机生成气团的运动模型；将气团的特征表示为Qi(Vi0,xi,yi)，参考高斯模型确定影响半径D用以区分浓度梯度扩散Sd和自由扩散Sf，并构造了边界接触条件，假设了模拟的市内环境，使用该模型在大气稳定状态下模拟氨气扩散；其包括如下步骤：确定影响半径D，气团自动机模型，气团运动速度变化量的改变量的确定，边界接触条件，设定模型建立参数，进行模拟；本专利技术可用于市内街道布局复杂情况下无风作用的气体扩散分布模拟。【专利说明】
本发勒费及重气扩散樽拟,録;g/是族及复杂市内街区内无风状态下的重气扩散研究。
技术介绍
众所周知，气体泄露的风险状况的考虑有几方面:气体的密度、泄露的地点、该地 点周围环境和大气条件等。对于气体的密度，如果小于空气，那么泄漏后大部分气体将升入 高空，进而减少对地面影响；如果大于空气，那么重气将排开空气，被排开的空气局部被压 缩，导致重气扩散更加缓慢，给地面影响较大。对于泄露的地点的考虑，显然是人口密集的 市区更加危险。泄露点周围环境如果相对密闭，则不利于重气扩散。若果比较空旷，则有利 于扩散。这样考虑市内建筑物之间的街区更为危险。对于大气条件，风力、温度和湿度等都 会影响气体的扩散。如果周围大气条件比较稳定，那么重气就不易扩散。综上所述，可以看 出，在市内街区泄露重气且大气环境稳定的条件下，对近地面危害最大。笔者也长期对多储罐泄露扩散及连锁条件下爆炸进行研究。但是这些研究主要是 应用扩散范围规则且连续的模型进行的，无法应用到重气在近地面市内街区这种不规则非 连续的拓扑结构中的进行扩散模拟。针对上述问题，考虑将连续性的扩散云，分离成气团，气团通过重叠或融合表示扩 散云。提出了使用细胞自动机(Cellular automata, AC)生成气团的运动模型。在生成运 动模型的过程中，考虑了气团运动的一些特性与粒子运动特性的相近性，并同时借鉴了高 斯模型的相关参数和概念。假设了模拟街区，在大气稳定的条件下进行氨气近地扩散模拟， 其结果与实际扩散结果比较相近，但是该模型也存在着只能模拟近地氨气扩散的缺点。
技术实现思路
利用细胞自动机模拟气团的扩散，主要的气团运动驱动力为气团的浓度梯度，即 气团的运动向着浓度梯度减最快的方向运动。在浓度较高的区域，浓度梯度对扩散的方向 和速度影响很大；当浓度下降到一定值后，扩散即为自由扩散。该模型只考虑使用CA气团 代替传统的气体扩散模拟方法，对于气体的长期扩散特征和可能在环境中发生的反应情况 没有考虑。对气团的扩散过程中的特征，使用Qi(ViO，xi，yi)表示，其中Qi表示第i个气团， ViO表示第i个气团的运动速度，单位m/s ；xi, yi表示相对于扩散中心的气团的位置，单位 m0I确定影响半径D为区分浓度梯度作用下的扩散和自由扩散，要首先确定影响半径D。当两个气团的距离 大于D时，认为气团间相互不作用，即两个气团之间显现自由扩散Sf ;当两个气团的距离小 于D时，认为气团间存在相互作用，即两个气团之间显现浓度梯度扩散Sd ;模型如图14中 公式所示。式中srj表示两个气团的相对运动状态。D的确定可以根据高斯模型，假设某一浓度下气体之间不存在相互作用，解算高斯模型中的距离参数确定，即求解横风向距离y，如图15中公式所示。2气团自动机模型基于自动机的气团扩散模型的实质问题是确定每个气团在其他气团的影响下的运动方向和速率，如图16中公式所示。式中:Vi0、xi0、yi0表示第i个气团的上一个时刻的状态,Vil、xil、yil表示这一时刻的状态。当气团处于Sf时，其运动方向和速率基本取决于其上一时刻的运动方向和速率， 并附加一定的随机变化，可以参考高斯模型中侧风向扩散系数S y，其表示在无风影响下的气体扩散特征，如图17中公式所示。式中，f(Sy)表示气团运动速度的变化量是侧风向扩散系数Sy的函数，ε表示扩散速度的随机性，X, y是两个相互垂直的方向。当气团处于Sd时，其运动方向和速率取决于其上一时刻的运动方向和速率，与本时刻周围其他气团对其作用的叠加，如图18中公式所示。3气团运动速度变量的改变量的确定确定在影响半径D内的其他气团对第i个气团的影响。考虑浓度梯度的情况下，气团运动速度变量方向的改变和大小的改变。由于假设气团的每个气体质量相同且内部均匀， 所以主要考虑其他气团的上一时刻的速度和第i个气团与其他在D范围内的气团的距离。 方向的改变通过距离确定，基于气团的运动的改变为浓度梯度最大方向，d越近相互影响越强烈的原则，方向该变量的确定过程如图1所示。如图1所示，在以气团O为中心的半径为D的范围内，有5个气团A，B，C，D，O。现确定O在该时刻内速度的改变方向。根据d越相互影响越强烈的原则，取A、B、C、D距离O 的距离d的倒数作为衡量作用大的无量纲标准。在A、B、C、D距离O的距离d的指向O的延长线上按比例作A、B、C、D距离O的距离d的倒数，作为方向的矢量SA、SB、SC、SD,并求矢量和F=SA*SB*SC*SD。综上可得矢量合成后的速度改变量的方向F=S1*S2*…*Sn，/?为以气团O为中心的半径为D的范围内的气团的个数减I。气团运动速度变化量大的改变目前通过统计确定，即借鉴扩散系数δ y, r为扩散调整系数，这样图18中所示公式可为图19中所示公式。4边界接触条件当气团遇到障碍物时会触发边界条件。当气团遇到障碍物时，由于障碍物表面对气团运动有粘滞作用，所以气团的运动速度会受到影响，应进行折减，λ为接触速度折减系数， λ >1，可参考管线内层流流体的抛物型速度分布曲线；运动方向变为180°减F与障碍物表面交角，如图20中公式所示。【专利附图】【附图说明】 图1方向改变量的确定过程。图2市内街区设置。图3模拟扩散过程，扩散次数=1。图4模拟扩散过程，扩散次数=200。图5模拟扩散过程，扩散次数=400。图6模拟扩散过程，扩散次数=600。图7模拟扩散过程，扩散次数=800。图8模拟扩散过程，扩散次数=1000。图9模拟扩散过程，扩散次数=1200。图10模拟扩散过程，扩散次数=1400。图11模拟扩散过程，扩散次数=1600。图12模拟扩散过程，扩散次数=1800。图13模拟扩散过程，扩散次数=2000。图14关于影响半径D的气团间作用判据。图15确定影响半径D的模型公式。图16基于自动机的气团扩散模型公式。图17当气团处于Sf时的气团扩散状态模型公式。图18当气团处于Sd时的气团扩散状态模型公式。图19确定气团运动速度变化量的改变量的模型公式。图20边界接触条件的模型公式。【具体实施方式】模型外轮廓线为IlOX 110m，为无反射开放边界。泄漏源在区域中心(0，O)处，假设场景为运输液态氨的槽车泄露。周围有11个长方体虚拟了建筑物。其具体尺寸如图2 所示。重气扩散后设重气的扩散高度于建筑物高度。扩散气团从泄露点向四周扩散，气团的泄露速度为每计算步10个，一共进行2000计算步。参数的具体选择,泄漏点的泄露速度为5kg/s,如气团每个容量为Ikg,即相当本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟重气在市内街道扩散的方法，其特征在于，构造了基于细胞自动机(Cellular?automata)?气团模型，用以进行上述情况模拟，将气体的宏观扩散等效视为多个气团，使用细胞自动机生成气团的运动模型；将气团的特征表示为Qi(Vi0，xi，yi)，参考高斯模型确定影响半径D用以区分浓度梯度扩散Sd和自由扩散Sf，并构造了边界接触条件，假设了模拟的市内环境，使用该模型在大气稳定状态下模拟氨气扩散；其包括如下步骤：确定影响半径D，气团自动机模型，气团运动速度变化量的改变量的确定，边界接触条件，设定模型建立参数，进行模拟；本专利技术可用于市内街道布局复杂情况下无风作用的气体扩散分布模拟。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵东洋，赫飞，崔铁军，吴迪，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：