近日北方多地遭受沙塵暴襲擊

惡劣的天氣導致空氣中有害物質的濃度驟然升高

造成了嚴重的環境污染問題

本周的環境仿真專題將圍繞環境污染問題

為大家帶來第三個案例

突發環境事件不僅僅會威脅人類的生存環境，也會威脅到國家的安全。如何減少環境污染對于國家安全的影響，是我們必須要思考的問題。

• 《環境仿真專題》第三講
  

• 基于Code_Saturne對生化污染在城區室內及室外環境下的擴散過程預測

01

研究背景

根據歐洲的公共安全法規，在大城市公共場所設計和建造過程中，需要考慮遭受可能的生化武器恐怖襲擊后生化污染的擴散情況，并為相應的緊急情況響應機制的制定提供依據。

通過數值模擬的方法，可以建立全尺度的CFD模型，使用Code_saturne對具體的公共場所，如地鐵站、火車站、商場進行小尺度上的模擬，同時與適用于大尺度的城市簡化流場與擴散模型（Urban simplified flow and dispersion model, PMSS）耦合，計算大范圍公共場所周邊地區的污染擴散情況，以確定污染是否會僅影響局部區域，或是擴散至周圍的臨近城區。

02

軟件介紹

Code_Saturne是法國電力集團（EDF）研發的一款通用計算流體力學開源軟件。基于有限體積方法，支持多種類型網格，通過求解納維-斯托克斯方程，用于處理二維、二維對稱、三維，穩態或非穩態，層流或湍流，不可壓或微可壓流體，等溫或非等溫等多種計算問題。軟件涵蓋大氣模擬、煤粉、重質燃料及生物質的燃燒、電弧與焦耳效應、顆粒追蹤、流體機械轉子-定子互動等多種工業應用物理模塊，并在工業領域得到廣泛的應用與認可。

03

案例展示

法國原子能中心 CEA與歐洲ARIA大氣科學公司使用Code_Saturne與PM SS耦合， 對巴黎北站及其周邊地區在遭受假設的一場生化武器恐怖襲擊后，生化污染的擴散情況的分析，以確定在襲擊發生后哪些區域最易遭受污染，以此為依據制定相應的緊急響應策略。

巴黎北站是 法國 國鐵（SNCF）在 巴黎 的七大列車 始發站 之一，位于巴黎市區北部的第十區，包含了多種鐵路運輸服務和城市軌道交通服務，如 巴黎地鐵 、大區列車、遠郊鐵路、省際列車、 TGV 和 歐洲之星 等。就旅客人數而言，每年約有1.8億人次, 目前是 歐洲 最繁忙的鐵路車站之一。

  巴黎北 站周邊地圖

火車站乘客出入口   

火車出發到達口

計算域包括了巴黎北站及其周圍的1km x1km的區域，對計算域內的建筑物進行了還原。

 計算域劃分情況

計算域被劃分為兩個部分：

• 火車站及其周圍小范圍區域定義為內部區域，網格劃分尺度為1m，使用Code_Saturne進行計算；

• 其余區域劃分為外部區域，網格尺度為3m，使用PMSS模型進行計算。

由于污染物顆粒尺寸非常小，本案假設污染物顆粒對流場不產生影響，因此計算分為兩步進行：

• 首先仿真計算出自然環境下的流場分布；

• 再計算污染物顆粒在此流場中的運動情況。

04

模擬結果

巴黎位于歐亞大陸西端，受大西洋影響因而區域盛行西風和南風，因此首先針對這兩種風向進行模擬以得出計算域內的流場信息。

一、盛行西風，風速為3m/s

整個計算域的速度云圖與火車站內部的流線圖如下：

可以看到由于火車站整體為南北方向，因此室內的風速并不大, 而火車站周圍的街道上風速較大。

此 時，假設在火車站旅客入口處發生生化武器襲擊事件，釋放生化污染物持續5分鐘。 由于火車站整體為南北方向，擴散至火車站內部的污染物并不多，而周圍的街道上的風速較大，導致在生化污染物釋放的8分鐘后就迅速擴散到南側和東側區域。 因此在制定相應的緊急響應機制時，應對這一區域制定快速疏散策略。

火車站旅客入口處發生生化武器襲擊2分鐘/8分鐘/23分鐘后的生化污染物擴散情況

  若假設此時在火車站內部發生襲擊，釋放生化污染物5分鐘，則可以觀察到污染物集中留存在火車站內，部分污染物從火車站出口以及鐵軌處擴散至東側，濃度相對較低，但值得注意的是在火車站東側有一所醫院，制定應急策略時應將這一因素考慮在內。

火車站內部發生生化武器襲擊2分鐘/8分鐘/23分鐘后的生化污染物擴散情況

 二、盛行南風，風速為3m/s

整個計算域的速度云圖與火車站內部的流線圖如下：

此時假設在火車站旅客入口處發生襲擊，釋放生化污染物5分鐘，可以觀察到生化污染物的擴散結果如下圖所示：

火車站旅客入口處發生生化武器襲擊2分鐘/8分鐘/23分鐘后的生化污染物擴散情況

假 設在火車站內部發生襲擊，釋放生化污染物5分鐘，可以觀察到生化污染物的擴散結果如下圖所示：

火車站內部發生生化武器襲擊2分鐘/8分鐘/23分鐘后的生化污染物擴散情況

可以看到，在兩種情況下生化污染物非常容易從火車站內擴散至外部，并且大部分污染物會在8分鐘內擴散至北部的醫院區域，在制定應急疏散策略時，需要對這一區域重點關注。

本案例計算中，還在重點關注區域設置了生化污染物濃度的監測點，以監控該地區在污染物釋放后的1小時內的污染物濃度變化情況。可以得出，在吹南風的情況下，車站內的污染物在流場的作用下很快的擴散至外界；而吹西風時，污染物很難被排出，火車站內的污染物濃度始終維持在一個較高的濃度。

上圖表示火車站內部監控點處的污染物濃度在火車站內部發生生化武器襲擊（藍色點）以及火車站旅客入口處（紅色點）兩種污染物釋放源位置情況下，污染物釋放后的1小時之內的變化情況。左側為盛行南風條件下的濃度變化情況，右側為盛行西風條件下的濃度變化情況。

05

研究結論

使用Code_Saturne與PMSS耦合實現了局部地區尺度和城區大范圍尺度的耦合仿真計算，模擬了巴黎北站在遭受假設的生化武器恐怖襲擊后，火車站內與火車站周圍城區的生化污染物擴散情況。模擬結果顯示，如果在巴黎北站發生生化恐怖襲擊，在不同的氣象風向條件下，除火車站內會遭受生化污染危害，污染物也會擴散到周邊城區中，其中火車站東側和北側潛在的受污染風險最大。因此在制定緊急響應策略時，應針對這些易受害區域進行相應的保護和快速疏散對策。

小結

本案例是將環境仿真技術應用于模擬生化污染在城區室內及室外環境下的擴散過程，模擬結果表明Code_Saturne有能力預測不同氣象風向條件下流體擴散的范圍，并精準預測易受災害區域。除此之外，Code_Saturne還可以應用大氣模擬、顆粒追蹤、生物質的燃燒等環境模擬情景。

END

今天的案例分享就到這里啦

下周繼續新專欄的分享

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