本周還是圍繞環(huán)境污染問題

帶來環(huán)境仿真專題的第四個案例

圖文詳解 仿真思路更清晰

一起來學(xué)習(xí)吧

評估污染物通過復(fù)雜地形（如山地上和城市中的高樓大廈之間）的擴(kuò)散對環(huán)境造成的影響，可以將這類污染的影響降至最低。

• 《環(huán)境仿真專題》第四講
  

• 使用Code_Saturne模擬化學(xué)污染物在復(fù)雜建筑環(huán)境下的大氣擴(kuò)散

01

研究背景

城市區(qū)域建筑林立，地形復(fù)雜，如果出現(xiàn)大規(guī)模化學(xué)品泄漏，將會在近地面處形成重氣云團(tuán)，這是因?yàn)榛瘜W(xué)品分子量較大的原因?qū)е碌摹Ｆ潆S流場擴(kuò)散的行為受到諸多因素影響，因此需要有效的手段對城市區(qū)域內(nèi)高分子量物質(zhì)的擴(kuò)散進(jìn)行預(yù)測以評估潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，并制定相關(guān)的緊急響應(yīng)手段。

JackRabbit II（JRII）實(shí)驗(yàn)場地和裝置

實(shí)驗(yàn)手段是常見的研究方式之一， 美國的Jack Rabbit II（JRII）實(shí)驗(yàn)就是通過在人工建造的模擬城市環(huán)境內(nèi)釋放高壓液化氯，以研究城市環(huán)境下高分子量物質(zhì)的擴(kuò)散行為。然而進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)需求的成本過大，時間過長，規(guī)模有限，因此如果可以使用CFD手段快速模擬化學(xué)污染物在不同城市布局下的不同位置、不同風(fēng)向等等多種情況下的泄漏情況，將大大減少相關(guān)成本，從而獲得更全面和更多樣的數(shù)據(jù)信息。

法國原子能中心CEA與歐洲ARIA大氣科學(xué)公司使用了CFD方法，采用通用CFD求解軟件Code_Saturne，對Jack Rabbit II（JRII）實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值建模和仿真模擬。

02

軟件介紹

Code_Saturne是法國電力集團(tuán)（EDF）研發(fā)的一款通用計(jì)算流體力學(xué)開源軟件。基于有限體積方法，支持多種類型網(wǎng)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(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)，層流或湍流，不可壓或微可壓流體，等溫或非等溫等多種計(jì)算問題。軟件涵蓋大氣模擬、煤粉、重質(zhì)燃料及生物質(zhì)的燃燒、電弧與焦耳效應(yīng)、顆粒追蹤、流體機(jī)械轉(zhuǎn)子-定子互動等多種工業(yè)應(yīng)用物理模塊，并在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用與認(rèn)可。

03

模型建立

杜格威試驗(yàn)場地勢平坦無起伏，模擬城市為約80個高度不同的集裝箱組成的交錯陣列，占地122㎡的方形區(qū)域。

所有集裝箱皆視為規(guī)則的立方體，集裝箱壁及地面具有0.5毫米的粗糙度。在試驗(yàn)場地設(shè)置了3個高為32米的風(fēng)速測量裝置，測量裝置上每隔幾米就安裝有一個風(fēng)速測量儀，每秒測量一次風(fēng)速。由于實(shí)驗(yàn)場所平坦開闊，環(huán)境比較穩(wěn)定，且C12釋放時間不長，因此可以認(rèn)為風(fēng)速和風(fēng)向都是穩(wěn)定的。10分鐘內(nèi)的平均風(fēng)速，風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)（與集裝箱平行）。

假設(shè)共有10噸C12將被釋放，C12釋放過程設(shè)置為20s內(nèi)發(fā)生的閃蒸現(xiàn)象。

 在Code_Saturne中使用混合氣體模型進(jìn)行計(jì)算，仿真模擬分為兩步進(jìn)行：

• 首先計(jì)算無C12釋放狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)風(fēng)場；

• 再以穩(wěn)態(tài)計(jì)算的結(jié)果作為初始狀態(tài)，進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算來模擬C12釋放后的擴(kuò)散和分布情況。

04

模擬結(jié)果

整個模擬城市區(qū)域速度云圖，和C12釋放并擴(kuò)散至布滿整個模擬城市區(qū)域時的濃度云圖，如下圖所示：

距地面1m處速度場云圖 

距地面1m處C12濃度云圖

C12濃度在垂直切面上的云圖

 下圖展示了Code_Saturne仿真計(jì)算得出的31s、40s、50s、60s、70s時刻的C12濃度分布的預(yù)測結(jié)果：

使用Code_Saturne和PMSS模型對美軍JRII實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)，通過對三種不同CFD模型的結(jié)果比較，證明Code_Saturne模擬的結(jié)果是準(zhǔn)確可信的。

小結(jié)：

本案例是將環(huán)境仿真技術(shù)應(yīng)用于模擬化學(xué)污染物在復(fù)雜建筑環(huán)境下的大氣擴(kuò)散，模擬結(jié)果表示Code_Saturne能夠準(zhǔn)確地模擬出大分子量重氣云團(tuán)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)間的擴(kuò)散運(yùn)動。

因此，Code_Saturne有能力預(yù)測不同氣象風(fēng)向條件下流體擴(kuò)散的范圍，可以用于對城市區(qū)域內(nèi)化學(xué)品泄漏后的擴(kuò)散進(jìn)行預(yù)測。并且，對于不同氣象條件、不同泄漏位置、不同城市結(jié)構(gòu)，Code_Saturne能夠進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的分析，以制定相關(guān)的緊急響應(yīng)策略。

END

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