一種重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法
【專利摘要】本發明提供一種重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法，其是基于平板模型的，包括：輸入已知參數，并根據已知參數初始化相關參數；計算ERPGs濃度穩態下的最大影響距離；在本地坐標系下生成左邊界，左邊界包括上風向左邊界、下風向左邊界和末端左邊界；并校驗糾正左邊界的邊界點；根據計算得到的左邊界的邊界點生成右邊界；將左邊界和右邊界的邊界點的坐標轉換為經緯度坐標；并根據該經緯度坐標繪制出重氣持續泄漏擴散的動態模擬GIS效果圖。通過本發明，不僅僅可以模擬出穩定狀態下的重氣持續泄漏擴散態勢，還可以動態的模擬重氣持續泄漏擴散隨時間變化的過程。
【專利說明】一種重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種突發性事故的應急處理技術，特別是涉及一種重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法。
【背景技術】
[0002]危化品泄漏事故一般突發性強，影響范圍廣，危害后果嚴重；尤其是重氣泄露事故，如氯氣等，由于密度比空氣大，泄漏后重氣先重力下沉而后沿地面擴散，再加上泄漏物質本身的毒性，將對泄漏影響區域的人員、環境安全造成極大的威脅，甚至有可能造成大量的人員傷亡。因此，泄漏事故的控制越來越受社會的重視，國內外研究人員針對重氣持續泄漏擴散也先后展開了一系列的研究，如現場試驗，風洞試驗，數學模擬等；相比于前兩者方法，數值模擬的方法憑著其成本低，操作方便等優點以及計算機仿真技術的快速發展，近年來逐漸成為重氣持續泄漏擴散研究的主流方法。
[0003]數學模擬法是指利用數學建模的方式來描述氣體擴散過程，并利用計算機仿真技術實現對氣體擴散態勢的模擬；該方法大體分為兩個步驟:1.構建重氣擴散模型；2根據模型通過計算機仿真模擬氣體擴散的過程。其中，擴散模型的構建起著至關重要的作用，它的準確性和科學性將直接決定最終模擬出來的結果，所以大量的國內外相關機構與學者圍繞著構建更可靠更精確的擴散模型展開了大量的研究，目前，已經研究出了大量的重氣擴散模型，如BM模型(經驗模型)、箱模型、平板模型、淺層模型、拉格朗日粒子模型、CFD(Computat1nal Fluid Dynamics,計算流體動力學)模型等。這些模型中，較復雜的模型，如CFD、淺層模型等，具有較好的準確性，然而由于其計算復雜度過大，計算時間過長，在實際的工業應用中，并不適用；反而是箱模型、平板模型等這樣一些能夠更好的兼顧計算復雜度和準確度的模型，更適合實際的工業應用。尤其是在對時間要求比較高的突發事故的應急處置中，平板模型的應用比較廣泛。
[0004]平板模型是用于描述重氣持續泄漏場景的重氣持續泄漏擴散模型，其在模型的準確性和計算復雜度上具有很好的折中，很適合實際應用；然而由于該模型自身存在的一些數學上的限制性:
[0005]1、該模型屬于是下風向方向上的一維平均分布模型，無法區分出垂風向上不同濃度的分布；
[0006]2、該模型是半封閉的模型，沒有準確標識區域間的邊界；
[0007]3、該模型是對重氣持續泄漏擴散穩態的描述，不具備隨時間變化的擴散過程的信肩、O
[0008]因此，基于平板模型使用計算機仿真重氣持續泄漏擴散具有一定的難度，如采用一般的方法，簡單、機械的對模型進行求解，仿真效果往往不夠準確和直觀，導致對突發事故應急處置的指揮調度、救援等工作的指導意義不大。
【發明內容】
[0009]鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法，用于解決現有技術中通過平板模型無法動態模擬出隨時間變化的重氣持續泄漏擴散過程以及仿真結構不夠準確和直觀的問題。
[0010]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法，所述方法是基于平板模型的，其特征在于，所述動態模擬方法包括:
[0011]步驟S10，輸入已知參數，并根據所述已知參數初始化相關參數；
[0012]步驟S20，計算ERPGs濃度穩態下的最大影響距離；
[0013]步驟S30，在本地坐標系下生成左邊界；
[0014]步驟S40，校驗糾正所述左邊界；
[0015]步驟S50，生成右邊界:右邊界的邊界點的X坐標的值與所述左邊界的邊界點的X坐標的值相同，y坐標的值相反；
[0016]步驟S60，轉換坐標系:將所述左邊界和所述右邊界的邊界點的坐標轉換為經緯度坐標；
[0017]步驟S70，輸出所述步驟S60轉換得到的經緯度坐標，并據此繪制GIS效果圖。
[0018]可選地，所述已知參數包括風速、風向、氣壓、氣溫、泄漏源的經緯度、泄漏源的高度、重氣云團初始密度、重氣云團初始半寬1?、泄漏后的時間、重氣的分子量和EPRGs濃度。
[0019]可選地，所述相關參數包括:用弧度表示的風向；氣壓與標準大氣壓的比值；初始高度& ;地面風速。
[0020]可選地，所述最大影響距離分別是在輕EPRGs的濃度值ERPGs-3穩態下、中EPRGs的濃度值ERPGs-2穩態下和重EPRGs的濃度值ERPGs-1穩態下計算得到的。
[0021]可選地，所述本地坐標系是以下風向為X軸的正方向，垂直方向為y軸方向，泄漏源點的坐標設為(0，0)。
[0022]可選地，所述步驟S30中生成所述左邊界包括:
[0023]S31，生成上風向左邊界；
[0024]S32，生成下風向左邊界以及末端左邊界。
[0025]可選地，所述步驟S31的生成上風向左邊界，具體包括:
[0026]步驟S311，從坐標(0,1?)開始向上風向方向按照η/25的弧度間隔使用弧度推進法逆推計算5個點，每個所述點的坐標值為:
[0027]b=b0* l + 1.5*[g*々。*(尸尸；(5)
K.Pa J U*h
VJ
[0028]X = prex_prey*sin ( Θ ) ； (8)
[0029]其中，所述點的X坐標值X表示上風向距離的相反數，y坐標值為b，表示重氣云團半寬；g表示重力加速度，Ptl表示重氣密度，Pa表示空氣密度；Θ為弧度間隔值，Prex表示前一點的X坐標值，prey表示前一點的γ坐標值；
[0030]步驟S312，判斷重氣云團半寬b的大小是否大于5:如果大于5，則返回所述步驟S311 ;如果小于5，則向所述上風向方向按照π/10的弧度間隔使用半圓法逆推計算5個點，并按照所述公式(8)計算下風向距離X ;所述公式(5)重氣云團半寬b。
[0031]可選地，所述步驟S32的生成下風向左邊界和末端左邊界包括:
[0032]步驟S321，設定初始的步長St印；
[0033]步驟S322，從所述本地坐標系的坐標(0,1?)開始，沿著x軸的正方向，按照所述步長step遞增取X值；并根據所述公式(5)計算重氣云團半寬b ；
[0034]步驟S323，判斷X是否達到所述最大影響距離:如果達到，則將(x，b)作為所述下風向左邊界的邊界點，并跳轉至所述步驟S325 ;如果沒有達到，則跳轉至步驟S324 ；
[0035]步驟S324，判斷X是否達到風速*泄漏后的時間:如果達到，則跳轉至步驟S328 ；如果未達到，則調整所述步長step，并跳轉至所述步驟S322繼續按照調整過的所述步長step進行遞增取點；其中，調整的所述步長是依據下風向的邊界距離而設定的；
[0036]步驟S325，使用所述弧度推進法從所述下風向左邊界的邊界點求取等值點坐標的X坐標值X，根據所述等值點的X坐標值X通過所述公式(5)計算重氣云團半寬b，得到所述等值點坐標(X，b)；
[0037]步驟S326，判斷所述等值點坐標的X坐標值x是否大于風速*泄漏后的時間:如果大于，則跳轉至步驟S328 ;如果小于，則跳轉至步驟S327 ；
[0038]步驟S327，判斷所述重氣云團半寬b是否收斂:如果收斂，則跳轉至步驟S328 ;如果不收斂，則重新跳轉回所述步驟S325 ；
[0039]步驟S328，采用所述半圓法求取末端等值線點坐標；
[0040]其中，所述末端等值線點為所述末端左邊界的邊界點。
[0041]可選地，所述步驟S40的校驗和糾正所述左邊界包括兩部分:1)對所述ERPGs濃度為ERPGs-3和ERPGs-2時的兩個等值線點的坐標集合進行校驗和糾正；2)對所述ERPGs濃度為ERPGs-2和ERPGs-1的兩個等值線點的坐標集合進行校驗和糾正。
[0042]可選地，所述步驟S60的轉換坐標系具體包括:
[0043]步驟S61，旋轉所述左邊界和所述右邊界的邊界點的本地坐標；
[0044]步驟S62，根據所述泄漏源的經緯度，計算出所述泄漏源的UTM坐標；
[0045]步驟S63，根據所述泄漏源的UTM坐標，將所述步驟S61旋轉過的所述左邊界和所述右邊界的邊界點的坐標轉換為對應的UTM坐標；
[0046]步驟S64，將所述左邊界和所述右邊界的邊界點的UTM坐標轉換成經緯度坐標。
[0047]如上所述，本發明的一種重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法，具有以下有益效果:
[0048]I)優化了危害區域等濃度邊界等值線，使得模擬所述的態勢結果更接近實際的氣體擴散過程；
[0049]2)優化了重氣濃度的橫向分布，使得重氣濃度在橫風向的分布上也有了一定的梯度變化；
[0050]3)本發明不僅僅可以模擬出穩定狀態下的重氣持續泄漏擴散態勢，還可以動態的模擬重氣持續泄漏擴散隨時間變化的過程。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0051]圖1顯示為本發明的實施例公開的一種重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法的流程不意圖。
[0052]圖2顯示為本發明的實施例公開的一種重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法中生成上風向左邊界的流程示意圖。
[0053]圖3顯示為本發明的實施例公開的一種重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法中生成下風向左邊界和末端邊界的流程示意圖。
[0054]圖4顯示為本發明的實施例公開的一種重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法中對邊界點進行坐標轉換的流程示意圖。
[0055]圖5顯示為在實施例2的已知參數下，使用平板模型模擬的EPRGs的等值線GIS效果圖。
[0056]圖6至圖9顯示為本發明實施例2公開的一種重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法模擬出的不同泄漏時間長度下的EPRGs的等值線GIS效果圖。
[0057]元件標號說明
[0058]SlO ?S70 步驟
[0059]S31 ?S32 步驟
[0060]S311 ?S312 步驟
[0061]S321 ?S328 步驟
[0062]S61 ?S64 步驟
【具體實施方式】
[0063]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。需說明的是，在不沖突的情況下，以下實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0064]請參閱圖1至圖9，需要說明的是，以下實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。
[0065]平板模型是一種描述重氣持續泄漏擴散的模型，具備較好的準確性和適度的計算復雜度，廣泛用于突發事故的重氣持續泄漏擴散的模擬；然而由于平板模型自身的一些數學上的局限性，采用一般的方法直接對模型進行求解模擬，效果比較差，對突發事故的指揮調度、救援等工作的指導意義不大。因此，本發明公開了一種基于平板模型的重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法。
[0066]實施例1
[0067]本實施例的一種重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法，具體如圖1所示，包括:
[0068]步驟S10，輸入已知參數，并根據已知參數初始化相關參數:
[0069]由于本實施例進行重氣持續泄漏擴散的動態模擬的，所以其已知參數具體包括:10米高的風速U、風向(角度)、氣壓、氣溫、泄漏源經度long、泄露源緯度lat、泄漏源高度h、重氣云團初始密度、重氣云團初始半寬k、事發后的時間t、泄露物質分子量、泄漏物質的ERPGs濃度c和氣云初始濃度Ctl等等。
[0070]初始化相關參數具體包括:
[0071]a.將風向轉化為弧度:弧度=角度*π/180 ；
[0072]b.氣壓轉化為與標準大氣壓的比值；
[0073]c.初始高度 h。:h0 = b0/2 ；
[0074]d.地面風速
【權利要求】
1.一種重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法，所述方法是基于平板模型的，其特征在于，所述動態模擬方法包括: 步驟S10，輸入已知參數，并根據所述已知參數初始化相關參數； 步驟S20，計算ERPGs濃度穩態下的最大影響距離； 步驟S30，在本地坐標系下生成左邊界； 步驟S40，校驗糾正所述左邊界； 步驟S50,生成右邊界:右邊界的邊界點的X坐標的值與所述左邊界的邊界點的X坐標的值相同，y坐標的值相反； 步驟S60，轉換坐標系:將所述左邊界和所述右邊界的邊界點的坐標轉換為經緯度坐標； 步驟S70，輸出所述步驟S60轉換得到的經緯度坐標，并據此繪制GIS效果圖。
2.根據權利要求1所述的重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法，其特征在于，所述已知參數包括風速U、風向、氣壓、氣溫、泄漏源的經緯度、泄漏源的高度、重氣云團初始密度、重氣云團初始半寬1?、泄漏后的時間、重氣的分子量和EPRGs濃度。
3.根據權利要求2所述的重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法，其特征在于，所述相關參數包括:用弧度表示的風向；氣壓與標準大氣壓的比值；初始高度& ;地面風速和重氣密度Po。
4.根據權利要求3所述的重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法，其特征在于，所述最大影響距離分別是在輕EPRGs的濃度值ERPGs-3穩態下、中EPRGs的濃度值ERPGs_2穩態下和重EPRGs的濃度值ERPGs-1穩態下計算得到的。
5.根據權利要求4所述的重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法，其特征在于，所述本地坐標系是以下風向為X軸的正方向，垂直方向為I軸方向，泄漏源點的坐標設為(0,0)。
6.根據權利要求5所述的重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法，其特征在于，所述步驟S30中生成所述左邊界包括 S31，生成上風向左邊界； S32，生成下風向左邊界以及末端左邊界。
7.根據權利要求6所述的重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法，其特征在于，所述步驟S31的生成上風向左邊界，具體包括: 步驟S311，從坐標(0,1?)開始向上風向方向按照η/25的弧度間隔使用弧度推進法逆推計算5個點，每個所述點的坐標值為:
其中，所述點的X坐標值X表示上風向距離的相反數，y坐標值為b，表示重氣云團半寬；g表示重力加速度，Pa表示空氣密度；Θ為弧度間隔值，Prex表示前一點的X坐標值，Prey表示前一點的坐標值； 步驟S312，判斷重氣云團半寬b的大小是否大于5:如果大于5，則返回所述步驟S311 ;如果小于5，則向所述上風向方向按照π /10的弧度間隔使用半圓法逆推計算5個點，并按照所述公式(8)計算下風向距離X ;所述公式(5)重氣云團半寬b。
8.根據權利要求7所述的重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法，其特征在于，所述步驟S32的生成下風向左邊界和末端左邊界包括: 步驟S321,設定初始的步長step ； 步驟S322，從所述本地坐標系的坐標(0，b0)開始，沿著X軸的正方向，按照所述步長step遞增取X值；并根據所述公式(5)計算重氣云團半寬b ； 步驟S323，判斷X是否達到所述最大影響距離:如果達到，則將(x，b)作為所述下風向左邊界的邊界點，并跳轉至所述步驟S325 ;如果沒有達到，則跳轉至步驟S324 ； 步驟S324，判斷X是否達到風速*泄漏后的時間:如果達到，則跳轉至步驟S328 ;如果未達到，則調整所述步長step，并跳轉至所述步驟S322繼續按照調整過的所述步長step進行遞增取點；其中，調整的所述步長是依據下風向的邊界距離而設定的； 步驟S325，使用所述弧度推進法從所述下風向左邊界的邊界點求取等值點坐標的X坐標值X，根據所述等值點的X坐標值X通過所述公式(5)計算重氣云團半寬b，得到所述等值點坐標(X，b)； 步驟S326，判斷所述等值點坐標的X坐標值X是否大于風速*泄漏后的時間:如果大于，則跳轉至步驟S328 ;如果小于，則跳轉至步驟S327 ； 步驟S327，判斷所述重氣云團半寬b是否收斂:如果收斂，則跳轉至步驟S328 ;如果不收斂，則重新跳轉回所述步驟S325 ； 步驟S328，采用所述半圓法求取末端等值線點坐標； 其中，所述末端等值線點為所述末端左邊界的邊界點。
9.根據權利要求6所述的重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法，其特征在于，所述步驟S40的校驗和糾正所述左邊界包括兩部分:1)對所述ERPGs濃度為ERPGs-3和ERPGs_2時的兩個等值線點的坐標集合進行校驗和糾正；2)對所述ERPGs濃度為ERPGs-2和ERPGs-1的兩個等值線點的坐標集合進行校驗和糾正。
10.根據權利要求9所述的重氣持續泄漏擴散的動態模擬方法，其特征在于:所述步驟S60的轉換坐標系具體包括: 步驟S61，旋轉所述左邊界和所述右邊界的邊界點的本地坐標； 步驟S62，根據所述泄漏源的經緯度，計算出所述泄漏源的UTM坐標； 步驟S63，根據所述泄漏源的UTM坐標，將所述步驟S61旋轉過的所述左邊界和所述右邊界的邊界點的坐標轉換為對應的UTM坐標； 步驟S64，將所述左邊界和所述右邊界的邊界點的UTM坐標轉換成經緯度坐標。
【文檔編號】G06F17/50GK104182588SQ201410428917
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月27日 優先權日:2014年8月27日
【發明者】劉道明, 魏建明, 徐俊, 張 浩, 田欣 申請人:中國科學院上海高等研究院