一種用于氣體泄露擴散的三維模擬方法及應急疏散方法
【專利摘要】本發明公開一種用于氣體泄露擴散的三維模擬方法及應急疏散方法，該三維模擬方法包括獲取泄漏源的位置信息，根據所述泄漏源的位置，獲取周邊測量的氣象實時數據和泄漏源強數據，將該氣象實時數據與風場數據庫中風場查詢數據進行比對查詢，從風場數據庫中獲取該泄漏源的風場數據，將上述風場數據以及泄漏源強數據帶入氣體擴散公式，計算獲得氣體擴散場數據。上述三維模擬方法通過建立風場數據庫，利用該風場數據庫快速查詢獲得泄漏源周圍的風場數據，該風場數據的獲得過程快速高效，刪減了以往需要進行風場計算的步驟，可以最快時間獲得三維模擬場數據，適用于新形勢下化工園區、廠礦企業對應急系統的要求。
【專利說明】一種用于氣體泄露擴散的三維模擬方法及應急疏散方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及氣體擴散模式領域，具體涉及一種用于氣體泄露擴散的三維模擬方 法，本發明還涉及針對氣體泄露的應急疏散方法。

【背景技術】
[0002] 目前有毒氣體的擴散應急模式都使用一般的煙羽擴散模式，所述經驗模型是采用 數學公式近似模擬結果的方式，這種方法特點是快，缺點是對地表復雜的情況誤差很大，因 為這種模式采用數學的方法對實驗過的類似現象進行擬合，而現實中存在千差萬別的實際 情況，所以造成差較大，極大的影響到應急擴散模擬在應急體系中的發揮。例如在風向突然 改變的情況下，氣體如何擴散，地面具有大量的高層建筑，風流場不穩定，如果確定氣體擴 散的范圍等等，所述煙羽擴散模式均不能解決。
[0003] 現階段，采用較多的是三維模擬技術，該技術能模擬較復雜情況。具體地，所述三 維模擬技術包括三維有限單元計算數值模擬、三維風洞實驗模擬和其它材料的工程實驗模 擬技術。該技術是實現科學規劃、應急體系優化設計、油田油氣安全開發、危險化學品安全 生產、毒氣泄漏事故預警等任務中的一種有效的技術手段。該技術已成功應用于油氣田勘 探設計，礦山、隧道、水利工程優化布局、化工和防治等多個領域，具有顯著的社會和經濟效 益。但是普通三維模擬技術需要的計算時間長，在應急情況下，需要快速得出計算結果，所 以該三維模擬技術又不能適應應急的需求。
[0004] 現亟需一種新型技術來解決上述問題。


【發明內容】

[0005] 本發明提供一種用于氣體泄露擴散的三維模擬方法，以解決現有三維模擬系統存 在的上述問題。
[0006] 本發明提供一種用于氣體泄露擴散的三維模擬方法，包括：獲取泄漏源的位置信 息；根據所述泄漏源的位置，檢測該位置及周圍的氣象實時數據和泄漏源源強數據；將檢 測到的氣象實時數據與風場數據庫中風場查詢數據進行比對查詢，從風場數據庫中獲取該 泄漏源的風場數據；將上述風場數據及泄漏源源強數據帶入氣體擴散公式，計算獲得氣體 擴散場數據。
[0007] 優選地，所述氣象實時數據包括風向實時數據和風速實時值；所述泄漏源源強數 據包括泄漏源泄漏量、泄漏氣體組份。
[0008] 可選地，所述風場數據庫中風場查詢數據包括風速查詢數據和風向查詢數據。 [0009] 所述風速查詢數據是按照數值大小排列的一組數據；所述風向查詢數據是按照方 向角度值的大小排列的一組數據；所述從風場數據庫中獲取該泄漏源的風場數據，具體是， 風場數據庫中一個風速查詢數據和一個風向查詢數據共同對應一個風場數據，該數據為泄 漏源的風場。
[0010] 優選地，所述氣象實時數據為風速實時值，所述將檢測到的氣象實時數據與風場 數據庫中風場查詢數據進行比對查詢，采用以下方式：
[0011] 獲取風速實時值，判斷風場數據庫中是否有與該風速實時值相同的風速值，若判 斷結果為是，則直接取相對應的風場數據。
[0012] 若判斷結果為否，則先確定接近的兩個風速值，再將該接近的兩個風速值進行插 分運算得出風場數據。
[0013] 優選地，所述現場氣象數據為現場風向數據，所述將檢測到的氣象實時數據與風 場數據庫中風場查詢數據進行比對查詢，采用以下方式：
[0014] 獲取風向實時數據，判斷風場數據庫中是否有與該風向實時數據相同的風向數 據，若判斷結果為是，則直接取相對應的風場數據。
[0015] 若判斷結果為否，則找出接近的兩個風向數據，將接近的兩個風場數據進行矢量 插分運算得出需要的風場數據。
[0016] 優選地，所述風場數據是根據風速查詢數據、風向查詢數據得出的事先通過計算 流體力學計算得出風場數據組。
[0017] 優選地，所述氣體擴散公式是以基本守恒方程為基礎，利用計算流體力學、傳質學 與傳熱學的原則確定的一個計算公式。
[0018] 可選地，所述氣體擴散場數據包括隨時間變化的濃度場數據以及相應的安全區 域、疏散區域、可用疏散時間。
[0019] 可選地，所述氣象實時數據采用風向風速儀檢測。
[0020] 可選地，所述風向風速儀設置在泄漏源的位置處和/或與泄漏源周圍的特定檢 測位置處。
[0021] 本發明提提供一種針對氣體泄露的應急疏散方法，包括：計算獲得泄漏氣體的擴 散場數據；根據所述擴散場數據確定疏散距離、疏散方向和可用疏散時間。其中，所述擴散 場數據是采用所述的用于氣體泄露擴散的三維模擬方法得出。
[0022] 與現有技術相比，本發明其中一方面具有以下優點：本發明公開一種用于氣體泄 露擴散的三維模擬方法，該方法包括獲取泄漏源的位置信息，根據所述泄漏源的位置，獲取 周邊測量的氣象實時數據和泄漏源強數據，將該氣象實時數據與風場數據庫中風場查詢數 據進行比對查詢，從風場數據庫中獲取該泄漏源的風場數據，將上述風場數據以及泄漏源 強數據帶入氣體擴散公式，計算獲得氣體擴散場數據。上述三維模擬方法通過建立風場數 據庫，利用該風場數據庫快速查詢獲得泄漏源周圍的風場數據，該風場數據的獲得過程快 速高效，刪減了以往需要進行風場計算的步驟，可以最快時間獲得三維模擬場數據，適用于 新形勢下化工園區、廠礦企業對應急系統的要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1是本發明用于氣體泄露擴散的三維模擬方法的流程圖；
[0024] 圖2是本發明針對氣體泄露的應急疏散方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0025] 本發明提供一種用于氣體泄露擴散的三維模擬方法，此處氣體一般為有毒有害氣 體，為了防止有毒有害氣體在擴散中對周圍生物造成影響和危害，需要快速獲得氣體泄漏 源及其周圍位置處的氣體擴散的指標，方便氣體泄漏的后續處理和制定人員逃生策略，最 大限度減少損傷。
[0026] 本發明提供的一種用于氣體泄露擴散的三維模擬方法，該方法包括以下步驟。
[0027] 步驟S101，獲取泄漏源的位置信息。
[0028] 上述泄漏源的位置信息包括泄漏源所處地形和位置坐標等，所述地形包括簡單地 形和復雜地形。采用該方法模擬氣體的擴散方式使泄漏源的地形情況不受限制。對于復雜 的地形或者泄漏源，仍可采用該方法進行模擬計算，其具體原因在下述步驟中具有具體體 現。
[0029] 為了方便計算，將泄漏源設置于三維空間中，所述泄漏源的位置設置為三維坐標 原點，泄漏源周圍的位置則以該坐標原點為基點進行定義。
[0030] 另外，對于泄漏氣體的類型及性質也需要確定，因為有些氣體具有劇毒、有些氣體 的性質僅僅是危害生物，有些氣體由于本身的性質擴散較快，有些氣體密度大于空氣密度， 其泄漏后可能沿地表擴散，所以，泄漏氣體的類型和性質也需要定義并形成氣體特性的數 據庫，在實際使用過程中可以在數據庫中直接調取相應的數據信息。
[0031] 步驟S102,根據所述泄漏源的位置，檢測該位置及周圍的氣象實時數據和泄露源 源強數據。
[0032] 所述氣象實時數據包括風速實時值和風向實時數據，在氣體擴散中風向和風速是 影響氣體擴散重要的參數，并且風向和風速也具有不穩定性，風向和風速隨時間變化進行 變化，而風場數據又是計算氣體擴散至關重要的決定性因素，所以，獲取泄漏源及其附近的 風場數據是確定擴散指標的關鍵因素。
[0033] 所述泄漏源源強數據包括泄漏源泄漏量和泄漏氣體組份。該源強數據的影響因素 可以包括氣體泄漏體積、組分，以及氣體在容腔中的壓強等等。上述氣體體積組分等因素數 據直接影響泄漏源泄漏量和泄漏強度。
[0034] 當氣體泄漏量較大，擴撒范圍也較大時，不但需要在泄漏源位置檢測氣象實時數 據，還需要在泄漏源的周圍，特別是在離泄漏源較遠位置也設置檢測氣象實時數據，從而對 泄漏源的泄漏情況進行更精準的模擬計算。
[0035] 所述現場溫度和現場濕度也會對氣體擴散產生影響。但是溫度和濕度一般不會發 生較大變化，相對穩定，并且相比于風速和風向因素的影響，溫度和濕度對氣體擴散的影響 不是特別大，一般通過溫度或者濕度傳感器檢測出現場的溫度和濕度，將該溫度值和濕度 值帶入至氣體擴散公式即可，該計算過程也比較簡便，不會增加計算的任務量，從而不會影 響模擬計算的時間。
[0036] 所述氣體密度一般與泄漏源源強的一些因素相關聯，泄漏氣體密度越大，在相同 風速和風向的情況下，對地面影響越危險，并且該氣體密度帶入氣體擴散公式中時，不會增 加太大的計算量，也就不會增加計算時間。
[0037] 另外，在泄漏源位置及其附近周圍位置需要檢測風向、風速、溫度、濕度、氣體密度 等一些影響因素，需要有檢測設備進行檢測，一般風向和風速的檢測采用風向風速儀，通過 該風向風速儀可檢測出泄漏源及其附近的風向實時數據和風速實時值。通過溫度傳感器 或者濕度傳感器可以檢測出泄漏源位置及其周圍的溫度和濕度。
[0038] 步驟S103,將檢測到的氣象實時數據與風場數據庫中風場查詢數據進行比對查 詢，從風場數據庫中獲取該泄漏源的風場數據。
[0039] 所述風場數據庫是為方便快速查詢風場數據建立的，在氣體擴散過程中，風場數 據對模擬計算具有很大的影響，所以需準確快速確定風場數據，故引入風場數據庫。
[0040] 所述風場數據庫是由風場查詢數據及風場數據組構成的。所述風場查詢數據包括 風速查詢數據和風向查詢數據。
[0041] 所述風速查詢數據是按照數值大小排列的一組數據，該數值大小可以根據實際需 求進行設定，該風速范圍可以是Om/s-lOm/s，每相鄰兩個數值之間間隔0. 5,即風速查詢數 據可以是一列以〇. 5為間隔的且從0開始的數據組，該數據組為0,0. 5m/s，1. Om/s，1. 5m/s， 2. Om/s -直以相同間隔排列至10. Om/s。上述例舉的一組數據并不是對風速查詢數據的限 制，可以根據需要對該組數據進行設定。
[0042] 所述風向查詢數據是按照方向角度值的大小排列的一組數據。與所述風速查詢數 據相對應的，所述風向查詢數據是一組角度數據，例如，將橫坐標的正向方向設定為正西方 向，則正北方向為90°，正東方向為180°，正南方向為270°，依次類推，每一個方向均可 以用角度進行表示，如45°為正西北方向。所述風向查詢數據可以是在上述360°方向上 的任意一個角度，但若相鄰兩個風向角度相差太小或者太大都會造成誤差，所以可以將角 度間隔設定為10°，則風向查詢數據為一組0°，1〇°，20° -直排列至360°。
[0043] 上述例舉是為了更好說明風向查詢數據的數據排列，但不限于上述方式的設定。
[0044] 由于風向和風速的不穩定性，以及風向和風速相互影響，兩者之間可能具有多種 組合方式，即構成的風場工況數較多，可能在實際操作中會遇到100中風向和100中風速， 這樣就會構成10000中風場的工況，極大增加計算模擬工作量和計算步驟。另外，氣體擴散 公式本身包含的風場數據是有風向和風速共同決定的，并且風場數據是通過初始的風向和 風速數值通過計算流體力學進行模擬計算確定的該計算過程步驟繁瑣，計算量大，需要花 費較長的時間。所以需要通過事先計算建立一個風場數據庫，每個風場包括所對應的風場 查詢數據。
[0045] 通過建立上述風場數據庫，可以節省風場的計算時間和計算過程，將氣象實時數 據帶入風場數據庫中，可以在該風場數據庫中獲得相對應的風場查詢數據，進而確定風場 數據。
[0046] 具體地，風場數據庫中每一個風速查詢數據和每一個風向查詢數據均具有對應關 系，兩者可以對應一個風場數據。
[0047] 在該步驟S103中，需要將氣象實時數據與風場查詢數據相對比，該模擬方法的關 鍵點也在此，如何更好的將氣象實時數據與風場查詢數據相匹配，是實現該方法的關鍵因 素。
[0048] 針對風速實時值，在風場數據庫中查詢出其相應對的風速查詢數據。
[0049] 首先獲取風速實時值，判斷風場數據庫中是否有與該風速實時值相同的風速值， 若判斷結果為是，則直接取相對應的風場數據中的風速。
[0050] 上述判斷結果這一情況是比較簡單的情況，即風速實時值在風場數據庫中有相對 應的值，顯而易見地，該數值即為需要獲取的風場數據中的風速。
[0051] 但是，若判斷結果為否，即該風場數據庫中沒有與所述風速實時值完全對應的數 值，則需要在風場數據庫中找出與該風速實時值相近似的兩個近似數值，將所述兩個相近 似的數值作進一步計算確定該風場數據中的風速。
[0052] 具體地，將接近的兩個風速值進行插分運算可得出一個數值，該計算得出的結果 即定為風場數據。
[0053] 上述近似值的方法還可以采用其他方式查詢得出，不限于上述插分運算方法。
[0054] 針對風向實時數據，在風場數據庫中查詢出其相應對的風向數據。
[0055] 風向數據與上述風速查詢數據獲取的方式相同。
[0056] 首先，獲取風向實時數據，判斷風場數據庫中是否有與該風向實時數據相同的風 向數據，若判斷結果為是，則直接取相對應的風場數據為風向數據。
[0057] 若判斷結果為否，則根據矢量插分原則計算需要的風向數據。所述矢量插分與上 述插分運算方法原理相近似，首先確定兩個近似的風向值，在兩個接近的風向值之間通過 角度之間作差，判斷出與風向實時數據最接近的風向數據，將該角度的數據確定為風向數 據。
[0058] 在分別獲取風向數據和風速數據之后，需要確定風場數據，該風場數據是根據上 述該風向數據和風速數據得出的。
[0059] 所述風場數據是一定范圍內的按照一定間隔的所有點的風速、風向數值，表征風 場信息，，所述一系列數值共同表征風場信息。該風場信息可以是一個精準的風場信息，也 可以是近似的風場信息，但該近似的風場信息在誤差范圍內可以接受。
[0060] 通過上述建立風場數據庫，并根據氣象實時數據在該風場數據庫中獲取風場數 據，這一步驟相比于傳統模擬方法，節省風場數據計算的時間，傳統模擬方法是將氣象實時 數據帶入一系列公式中模擬計算得出風場數據，該計算過程需要耗費較長時間，而采用風 場數據庫進行比對查詢，節省上述模擬計算的時間，所以可以節省整個三維模擬方法的計 算時間，起到高效作用。
[0061] 步驟S104,將上述風場參數及泄漏源源強數據帶入氣體擴散公式，計算獲得氣體 擴散場數據。
[0062] 上述氣體擴散公式是已有的公式，該公式是以基本守恒方程為基礎，利用計算流 體力學、傳質學與傳熱學的原則確定的一個計算公式。
[0063] 具體地，采用計算流體力學、傳質學與傳熱學的方法，對泄漏氣體的擴散動力學演 化過程及影響范圍進行數值模擬研究，通過上述研究最終確定的一系列公式即定義為氣體 擴散公式。
[0064] 所述氣體擴散場數據包括隨時間變化的濃度場數據。通過該氣體擴散公式最終可 以獲得安全區域、疏散區域、可用疏散時間等因素，安全區域、疏散區域、可用疏散時間均是 為疏散人員提供一個基本的參考數據，在制定應急疏散策略時，可以根據該安全區域、疏散 區域、可用疏散時間進行制定。
[0065] 本發明提供的一種用于氣體泄露的三維模擬方法，是一種能夠適用于應急系統的 三維模擬技術，具有模擬精度高，適應復雜地表情況，模擬計算速度快的特點，是應急過程 中高效應急預測的關鍵方法。該模擬方法基于并行計算的高性能集群系統，能夠在1分鐘 左右完成以往需要模擬1個月的計算成果，非常適合化工園區、大型工業場所、城市公共安 全等事故應急的需求。
[0066] 本發明還提供一種針對氣體泄露的應急疏散方法，包括以下步驟：
[0067] 步驟S201，計算獲得泄漏氣體的擴散場數據。
[0068] 步驟S202,根據所述擴散場數據確定安全區域、疏散區域、可用疏散時、疏散方 向。
[0069] 其中，所述氣體的擴散場數據是采用上述用于氣體泄露擴散的三維模擬方法得出 的，在此不再贅述。
[0070] 該應急疏散方法是在發生緊急泄漏情況下，通過泄漏氣體的場數據確定安全區 域、疏散區域、可用疏散時、疏散方向，并依此制定的一項逃生方案，并且該氣體擴散場數據 可以在較短時間內計算得出，使得在發生氣體泄漏時，可以用最短的時間根據氣體擴散場 數據制定相應的逃生方案，最大程度減少人員傷亡和損失。
[0071] 本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發明，任何本領域技 術人員在不脫離本發明的精神和范圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保 護范圍應當以本發明權利要求所界定的范圍為準。
【權利要求】
1. 一種用于氣體泄露擴散的三維模擬方法，其特征在于，包括： 獲取泄漏源的位置信息； 根據所述泄漏源的位置，檢測該位置及周圍的氣象實時數據和泄漏源源強數據； 將檢測到的氣象實時數據與風場數據庫中風場查詢數據進行比對查詢，從風場數據庫 中獲取該泄漏源的風場數據； 將上述風場數據及泄漏源源強數據帶入氣體擴散公式，計算獲得氣體擴散場數據。
2. 根據權利要求1所述的用于氣體泄露擴散的三維模擬方法，其特征在于，所述氣象 實時數據包括風向實時數據和風速實時值； 所述泄漏源源強數據包括泄漏源泄漏量和泄漏氣體組份。
3. 根據權利要求1所述的用于氣體泄露擴散的三維模擬方法，其特征在于，所述風場 數據庫中風場查詢數據包括風速查詢數據和風向查詢數據； 所述風速查詢數據是按照數值大小排列的一組數據；所述風向查詢數據是按照方向角 度值的大小排列的一組數據； 所述從風場數據庫中獲取該泄漏源的風場數據，具體是，風場數據庫中一個風速查詢 數據和一個風向查詢數據共同對應一個風場數據，該數據為泄漏源的風場。
4. 根據權利要求3所述的用于氣體泄露擴散的三維模擬方法，其特征在于，所述氣象 實時數據為風速實時值，所述將檢測到的氣象實時數據與風場數據庫中風場查詢數據進行 比對查詢，采用以下方式： 獲取風速實時值，判斷風場數據庫中是否有與該風速實時值相同的風速值，若判斷結 果為是，則直接取相對應的風場數據； 若判斷結果為否，則先確定接近的兩個風速值，再將該接近的兩個風速值進行插分運 算得出風場數據。
5. 根據權利要求3所述的用于氣體泄露擴散的三維模擬方法，其特征在于，所述現場 氣象數據為現場風向數據，所述將檢測到的氣象實時數據與風場數據庫中風場查詢數據進 行比對查詢，采用以下方式： 獲取風向實時數據，判斷風場數據庫中是否有與該風向實時數據相同的風向數據，若 判斷結果為是，則直接取相對應的風場數據； 若判斷結果為否，則找出接近的兩個風向數據，將接近的兩個風場數據進行矢量插分 運算得出需要的風場數據。
6. 根據權利要4或5任一項所述的用于氣體泄露擴散的三維模擬方法，其特征在于，所 述風場數據是根據風速查詢數據和風向查詢數據，利用三維計算流體力學計算得出的。
7. 根據權利要求1所述的用于氣體泄露擴散的三維模擬方法，其特征在于，所述氣體 擴散公式是以基本守恒方程為基礎，利用計算流體力學、傳質學與傳熱學的原則確定的一 個計算公式。
8. 根據權利要求1所述的用于氣體泄露擴散的三維模擬方法，其特征在于，所述氣體 擴散場數據包括隨時間變化的濃度場數據，以及相應的安全區域、疏散區域和可用疏散時 間。
9. 根據權利要求1所述的用于氣體泄露擴散的三維模擬方法，其特征在于，所述氣象 實時數據采用風向風速儀檢測。
10. 根據權利要求9所述的用于氣體泄露擴散的三維模擬方法，其特征在于，所述風向 風速儀設置在泄漏源的位置處和/或與泄漏源周圍的特定檢測位置處。
11. 一種針對氣體泄露的應急疏散方法，其特征在于，包括： 計算獲得泄漏氣體的擴散場數據； 根據所述擴散場數據確定疏散范圍、安全距離、疏散方向和可用疏散時間； 其中，所述擴散場數據是采用上述權利要求1-10任一項所述的用于氣體泄露擴散的 三維模擬方法得出。
【文檔編號】G06T17/00GK104091001SQ201410292896
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月25日 優先權日:2014年6月25日
【發明者】席學軍 申請人:中國安全生產科學研究院