放射性气体扩散浓度预测模型怎么建立

1个回答

采用高斯模型分析输气管道泄漏后气体的扩散

程　勇, 于　林, 姚安林

(西南石油大学, 四川成都　610500)

摘　要: 在深入分析输气管道泄露气体扩散的基础上, 根据天然气扩散本身的特征和研究问题的需

要, 采用高斯模型确定了泄漏源有效高度, 天然气扩散系数, 高度与风速的关系.指出: 泄漏源抬升高度

与扩散气体的初始速度和方向、初始温度、泄漏口直径、环境风速的关系; 扩散系数的大小与大气湍流结

构、离地面高度、地面粗糙度、泄漏持续时间、抽样时间间隔、风速以及离开泄漏源的距离等因数的关系;

风压高度变化系数和高度的函数关系.

关键词: 输气管道; 高斯模型; 泄露; 气体扩散

中图分类号: X743　　文献标识码:A 　　文章编号: 1006—7981 (2010) 14—0049—03

气团在大气中的扩散情况与气团自身性质有

关.当气团密度小于空气密度时, 气团将向上扩散而

不会影响下面的居民; 当气团密度大于空气密度时,

气团将沿着地面扩散, 危害很大.在本文分析中, 我

们仅考虑其密度接近于或大于空气密度的气团的扩

散.除了气团本身性质外, 气团的扩散还受大气稳定

度(反映地表地形、建筑物影响风流局部紊流情况的

参数) 等因素影响, 呈现十分复杂的函数关系.天然

气的密度与空气的密度相差比较小, 故可以采用高

斯模型计算气体的扩散.

1　高斯模型基本假设

1. 1　模型的基本表达式

高斯模型示意图

高斯模型用来描述危险物质泄漏形成的非重气

云扩散行为, 或描述重气云在重力作用消失后的远

场扩散行为.为了便于分析, 建立如下坐标系

OXYZ: 其中原点O 是泄漏点在地面上的正投影,X

轴沿下风向水平延伸, Y 轴在水平面上垂直于X 轴,

Z 轴垂直向上延伸, 如图所示.高斯模型除了须满足

平板模型中的一般假设外, 还需要满足如下假设: ①

气云在平整、无障碍物的地面上空扩散; ②气云中不

发生化学反应和相变反应, 也不发生液滴沉降现象;

③气体泄漏速率不随时间变化, 即为稳定泄漏; ④风

向为水平方向, 风速和风向不随时间、地点和高度变

化, 云团中心的移动速度或云羽轴向蔓延速度等于

环境风速; ⑤气云和环境之间无热量交换.⑥云团内

部或云羽横截面上浓度、密度等参数服从高斯分布

(即正态分布).

1. 2　高斯模型计算公式

根据高斯模型, 以泄漏源为原点, 风向方向为轴

的空间坐标系中一点(x, y, z) 处的浓度为:

C (x , y , z , H ) =

Q 0

2PõV R

× ex p〔- y 2

2R2

〕

× {ex p [ -

(z - H ) 2

2R2

] +

ex p [ -

(z + H ) 2

2R2

]}

式中: C (x, y, yz) ——空间点处的浓度, kgöm 3;

Q 0——泄漏源强, kgös;

V ——风速,m ös;

x ——下风向扩散系数,m;

y——侧风向扩散系数,m;

z——垂直风向扩散系数,m;

H —— 有效源高,m , 它等于泄漏源高度

与抬升高度之和, 即H= HS+ $H;

2010 年第14 期　　　　　　　　　　　　内蒙古石油化工49

X 收稿日期: 2010- 04- 06

HS——泄漏源高度,m;

$H ——抬升高度, 由抬升模型求得.

2　泄漏源有效高度的确定

泄漏源有效高度是指泄漏气体形成的气云基本

上变成水平状时气云中心的离地高度.在大多数问

题中, 泄漏源有效高度难以与泄漏源实际高度相一

致.它应该等于泄漏源实际高度加泄漏源抬升高度.

影响泄漏源抬升高度的因素很多, 主要包括: 扩

散气体的初始速度和方向、初始温度、泄漏口直径、

环境风速及风速随高度的变化率、环境温度以及大

气温度.目前大多采用半经验公式计算抬升高度.此

处采用20 世纪80 年代初W ilson 根据管道破裂泄漏

实验所得到的经验公式:

$H = 2. 4V S

式中: $H ——泄漏源抬升高度(m ) ;

V s——气云出口速度(mös) ;

d——出口直径(m ) ;

V ——环境风速(m ös).

此公式适合于出口喷射方向竖直向上, 喷射路

径上无障碍物的情况.当泄漏后扩散的气云为液池

蒸发的蒸气时, 蒸气是自然向空气中扩散, 可以认为

气云的出口速度为零, 此时无抬升高度.计算出泄漏

源的抬升高度后, 将泄漏源抬升高度与泄漏源实际

高度相加就得到了泄漏源有效高度.

3　扩散系数的确定

扩散系数的大小与大气湍流结构、离地面高度、

地面粗糙度、泄漏持续时间、抽样时间间隔、风速以

及离开泄漏源的距离等因数有关.大气湍流结构和

风速在大气稳定度中考虑.大气稳定度由10m 高度

上的风速、白天的太阳辐射或夜间的云量等参数决

定.随着气象条件稳定度的增加, 大气稳定度分为

A、B、C、D、E 和F 六类, 其确定方法见表3- 1.从A

到F 大气的稳定性依次增强.

表1　Pasquill 大气稳定度的确定

地面风速

(mös)

白天日照夜间条件

强中等弱

阴天且云层薄,

或低空云量为4ö8

天空云量

为3ö8

< 2 A A～B B - -

2～ 3 A～B B C E F

3～ 4 B B～ C C D E

4～ 6 C C～D D D D

> 6 C D D D D

上表中日照强度由表3- 2 中规定确定.

表2　日照强度的确定

天空云层情况

日照角

> 600

日照角≤

600 且> 350

日照角≤

350 且> 150

天空云量为4ö8, 或高空有

薄云

强中等弱

云量5ö 8～ 7ö8, 云层高度

2134～ 4877m

中等弱弱

云量5ö 8～ 7ö8, 云层高度

低于2134m

弱弱弱

以上两表中的云量是指当地天空的云层覆盖

率.例如, 云量为3ö8 是指当地有3ö8 的天空有云层

覆盖.日照角是指当地太阳光线与地平线之间的夹

度.例如, 阳光垂直照射地面时的日照角为90°.

通常, 随着大气稳定度的增加, 扩散系数减小.

对于开阔农村地区, 化学危险品事故泄漏扩散系数

与大气稳定度类型和下风向距离间的关系如表3 所

示.

表3　扩散系数的计算方法

大气稳定度类型R

x 和R

y (m) R

z (m)

A 0. 22x (1+ 0. 0001x) - 1ö2 0. 20x

B 0. 16x (1+ 0. 0001x) - 1ö2 0. 12x

C 0. 11x (1+ 0. 0001x) - 1ö2 0. 08x (1+ 0. 0002x) - 1ö2

D 0. 08x (1+ 0. 0001x) - 1ö2 0. 06x (1+ 0. 0015x) - 1ö2

E 0. 06x (1+ 0. 0001x) - 1ö2 0. 03x (1+ 0. 0003x) - 1ö2

F 0. 04x (1+ 0. 0001x) - 1ö2 0. 016x (1+ 0. 0003x) - 1ö2

说明: 100m < x< 10km , 抽样时间间隔10～ 60m in, 平坦地面.

4　风速变化的确定

基本风压系以当地比较空旷平坦地面上离地高

10m 统计所得的30 年一遇10m in 平均最大风速v0

(m ös) 为标准, 按F0=

v20

1600确定的风压值.

风速与风压成正比关系, 其关系可由下式确定:

F = v 2ö1 600

式中: ——计算点风压, kN öm 2;

v——计算点风速, mö s.

而风压与基本风压的关系又可以用下式描述:

F = L

zF 0

式中: F0——基本风压, kN öm 2;

z——风压高度变化系数.

故风速与基本风速的关系为:

v = L

õ v 0

对于风压高度变化系数, 应根据地面粗糙度类

别按下表确定.地面粗糙度可分为A、B、C 三类: A

类: 近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区;B 类: 田

50 内蒙古石油化工　　　　　　　　　　2010 年第14 期