气体泄漏及扩散计算[一类参照]

1、 学号： 07412225 常 州 大 学 毕业设计（论文）（2011届）题 目 重气泄漏扩散模拟及应急救援 学 生 薛云龙 学 院 环境与安全工程学院 专业班级 安全072班 校内指导教师 王新颖 专业技术职务 讲 师 校外指导老师 专业技术职务 二一一年六月骄阳书屋# 重气泄漏扩散模拟及应急救援摘 要：重气泄漏扩散事故是经常发生且危害较大的一种事故形式，由于重气的密度大于空气，因此重气往往沿地面扩散，泄放物质进入人体将引起中毒事故，若泄放物质被点燃或引爆将引起大规模的燃烧爆炸事故。虽然人们对重气泄漏扩散所造成的危害十分重视，但由于缺乏足够有效的数据来提供人们作风险评估及预防改善措施，因此采

2、用数学模型进行模拟是必要的。应在生产过程中，加强管理，强化生产者的安全生产教育。分析了泄漏扩散事故的七大影响因素，提取并建立了泄漏事故模式，并对各种事故模式的泄漏机理和发生条件进行了研究分析。通过试验研究得出在实际环境中大气主导风的风速，泄漏方向对气体扩散浓度分布有重大的影响，泄漏气体在下风向扩散的最快。静风时，随着时间的增加，空间各点的浓度有升高的趋势；在稳定风流中，空间各点的浓度随时间的变化不明显，可以认为是稳态的。泄漏的气体在下风向扩散的最快，在现场一旦发生天燃气泄漏，应综合考虑泄漏源的方向和该点当时的风向，风速等因素，及时准确预测泄漏气体可能扩散到危险区域，做好应对措施。关键词：相似理

3、论；泄漏模型；泄漏扩散模式；示踪法；重气；应急救援； Heavy gas leak dispersion modeling and emergency rescueAbstract ： As it is well-known, many industrial and domestic gases are toxic and flammable are stored in highly-pressurized vessels at liquefied state with ambient temperature. If there is by chance a sudden release, i

4、t often forms heavy-than-air vapour. The accident release and dispersion of toxic and flammable heavy gas can present a serious risk to the publics safety and to the environment. Disease may be caused when the flammable heavy gases are lit. Although great attention has been paid to the hazard of hea

5、vy gas dispersion, effective data of filed experiments are still insufficient to make risk assessment and precaution. Through the statistical analysis, draw a conclusion that chemical system in production, transportation and storage process, should first consideration and control of hazardous chemic

6、als, and summarizes the characteristics of the leak diffusion process performance. Subjective factors, equipment inherent defect caused by leakage on Chinas chemical system is the main reason of the accident. In the process of production, should be strengthen management, strengthen the education of

7、production safety producer. Analysis of the seven factors affecting diffusion of leakage accident, to extract and established the patterns of the leakage accident, and various and leakage accident modes mechanism and the conditions were studied and analyzed. Through the experimental study on practic

8、al environment atmosphere that dominated the wind, the wind of gas leakage direction spread concentration distribution, has enormous influence on the spread of gas leakage next wind fastest. Static, as time flies, the space increased concentration of the each point of the trend. In the stable romant

9、ic, space the concentration of each point does not change significantly over time, can be considered a steady. Leak gas diffusion next wind fastest, on the site once produce natural gas leak, should be taken into account in the direction and point source leaking the wind direction, wind speed at fac

10、tors such as timely and accurate prediction leakage, gas may be spread to dangerous area, completes the countermeasures.Key words：Theory of similarity; Leakage model；Leakage diffusion mode；Trace method； heavy gas；Emergency rescue 摘要目次1 绪论 11.1 研究背景11.2 研究意义21.3 国内外研究现状31.4 课题的研究方法和内容41.4.1 研究方法51.4.

11、2 研究内容51.5 论文的关键技术及难点52 重气的泄漏扩散过程72.1 重气的定义72.2 重气云的形成72.3 重气的扩散过程82.4 危险气体泄漏扩散模型92.4.1 高斯模型92.4.2 LAB模型102.4.3 Sutton模型112.4.4 FEM3模型112.4.5 箱式重气模型122.5 小结143 重气泄漏事故原因分析153.1 重气泄漏事故分析的必要性153.2 重气的危害性特点153.3 重气泄漏事故分析163.3.1 泄漏的主要设备163.3.2典型化学事故泄漏源类型163.3.3 泄漏原因分析173.3.3.1 基于人的因素进行分析173.3.3.2基于人的因素进行

12、分析173.4 重气扩散的基本模式及影响因素183.4.1 重气泄漏扩散的基本模式183.4.2 影响重气扩散的因素183.5 小结194 试验模型设计以及试验过程204.1 模型设计和构建的基本内容204.2 模型材料的选择204.2.1 模型材料的选择原则204.2.2 模型材料的选取204.3 油气储运安全综合试验平台的构建214.3.1 试验模型的设计研究思想214.3.2 试验模型的构建214.3.2.1 建造试验模型的基本原则214.3.2.2 试验模型224.4 试验方案254.4.1 试验方法的选择254.4.2 试验的指导思想254.4.3 试验材料及仪器264.4.4 试验

13、方案264.4.5 试验的技术路线264.4.6 试验的检验264.5 试验过程274.5.1 定性试验274.5.1.1 试验材料及仪器274.5.1.2 试验装置示意图284.5.1.3 定性试验过程284.5.2 定量试验过程324.5.2.1实验方法及步骤324.5.2.2实验数据处理及泄漏扩散规律分析334.6 小结385 危化品泄漏扩散事故应急救援395.1 危化品泄漏扩散事故应急救援的基本原则、基本任务及其特点395.1.1 危化品泄漏扩散事故应急救援的基本原则395.1.2 危化品泄漏扩散事故应急救援的基本任务395.1.3 危化品泄漏扩散应急救援的特点395.2 实施危化品泄

14、漏扩散事故应急救援的核心问题405.2.1 通过立法确定应急计划的法律地位，建立市级应急体系405.2.2 直接、快速的报告制度405.2.3 泄漏扩散事故的分析评估405.2.4 畅通无阻的通讯联络405.2.5 快速的应急行动405.3 危化品泄漏扩散事故应急响应系统415.3.1 危化品泄漏扩散应急响应程序415.3.2危化品泄漏扩散应急组织系统415.3.3 应急通讯系统425.3.4 应急防护和救援425.3.5 应急预案435.3.6 应急状态终止435.4 危化品泄漏扩散事故应急监测系统435.4.1 应急监测管理435.4.2 应急监测组织保证435.4.3 应急监测技术支持4

15、45.5 本章小结446 结论与展望456.1 结论456.2 展望46参考文献47致谢49骄阳书屋#1 绪论1.1 研究背景现代科学技术和工业生产的迅猛发展，为人类提供更好的物质生活条件的同时，也存在着极为严重的潜在的危害。在现代石油化工及其相关行业中，生产、储存和使用着各种类型的有毒气体和液体，这些物质一旦由于人为因素、设备因素、生产管理或环境因素发生泄漏事故，不仅会导致巨大的经济损失，还可能导致灾难性的后果。如果泄漏量小或及时被堵塞，污染范围不大，属于一般设备或操作事故。倘若泄漏量大，并未能及时控制住，泄漏气体必将污染空气、水、土壤或食物，经呼吸道、消化道或皮肤进入人体，引起群体中毒甚至

16、死亡。特别是易燃、易爆物质泄漏后，遇明火或静电火花可引发燃烧爆炸，也可能扩散相当一段距离后，遇明火引起回火爆炸，对周围环境、人员、设备等造成巨大的危害1。在过去的岁月中，我国和世界其它国家发生了许多严重的泄漏事故，从而引起中毒、火灾和爆炸。例如，1984年印度博帕尔市郊的联合碳化物公司农药厂45吨剧毒液体异氰酸甲酯储罐事故性泄漏，致使3150人死亡，5万人失明，20多万人受到严重毒害，15万人接受治疗，引起世界各国的震惊2。1987年10月30日，位于美国德克萨斯州德克萨斯市的马拉松石油公司炼油厂发生大量氢氟酸事故性泄漏，造成约130立方的氢氟酸泄漏，并形成蒸气扩散于大气中，污染范围约达13平

17、方公里，迫使约4000名居民避难，使230人眼睛痛疼和呼吸困难被送进医院，其中约50人伤势严重而住院治疗3。1979年温州电化厂液氯泄漏，是我国第一个受到广泛注意的严重泄漏事故，造成59人死亡约800人严重中毒4。2003年12月，重庆开县气矿发生天然气井喷事件，受到全国甚至全世界的广泛注意，造成243人死亡，直接损失6000余万；2004年4月，重庆天原化工厂发生氯气泄漏事件，分别发生两次爆炸，造成十余人死伤，附近约十五万市民被迫紧急疏散；2005年3月29日，京沪高速淮安段两车相撞，满载的约32吨液氯快速泄漏，中毒死亡28人，总财产损失2901万人民币，这一事件为城市安全隐患问题又一次敲响

18、了警钟。此类恶性事故不胜枚举，随着化学工业的迅速发展，发生泄漏事故的危险性相应增加，事故的规模也有扩大的趋势。其所带来的严重后果和环境与社会问题远远超过了事故本身，严重地影响了当代过程工业及相关行业的健康顺利发展。这些残酷的事实表明，深入开展重气泄漏及扩散过程的理论实验研究，对于科学预防泄漏事故的发生、指导紧急救灾具有重要理论价值和实践意义。大多数危险物质的意外泄漏，将在地面附近形成低动量连续泄漏源或拟瞬时泄漏源，由于泄漏物质的分子量比空气的大、贮存温度比环境低、发生化学变化或气云中夹带液滴，经常形成比空气重的气云，简称重气(heavy gas or dense gas) 5。重气的扩散机理与

19、传统大尺度的大气扩散有着明显不同的特点，常常扩散成非常复杂的形状，有时还停留在空中不散，扩散过程易受风速、风向以及地形的影响：从泄漏形式、形成气云到大气扩散，整个过程十分复杂且仍有许多有待研究的问题：此外，由于自身密度的缘故，泄漏的重气向地面下沉并沿地面水平扩展，从而形成低而平的气云沿着地表拓展范围，附近人员及建筑物都受到它直接的影响6。所以，人们十分重视对重气扩散过程的研究，包括数学和物理建模方法以及从各种尺度的现场实验获得数据进行模型验证。1.2 研究意义在通常情况下，为了便于储存和运输，根据危险物质的理化特性，液体多采用常温常压，气体则采用低温常压或常温加压等方式储存，使其为液体状态。一

20、旦储存用的容器发生破裂泄漏，易燃、易爆或有毒的泄漏物质由于重气效应不易扩散、稀释，则在局部空间的浓度会很容易达到燃烧、爆炸或人员中毒的范围之内，且维持时间较长，进而增加了发生燃烧、爆炸或中毒的可能性8。据不完全统计9，自1949年10月到2001年4月，我国化工系统发生的51起重(特)大典型泄漏事故，涉及到24种危险物质，从事故的发生频率和造成危害来看，其中有8种危险物质应优先考虑并进行控制，见图1.1和图1.2。图1.1 重（特）大典型泄漏事故发生频率图1.2 重（特）大典型泄漏事故伤亡人数 图1.2中受伤人数包括中毒人数。从上两图中可以看出，8种危险物质中除一氧化碳不属于重气外，其它泄漏物

21、质均属于重气，重气发生事故次数占总次数的60.79，造成的伤亡占总伤亡的9909。可见，重气泄漏事故的发生频率是非常高的，并且造成的人员伤亡是非常巨大的。国外对有关物质泄漏扩散过程的研究开展得较早，印度博帕尔事故以来，美国通过了许多地方、州、和联邦法规，试图防止灾害性的化学事故。86年通过了应急反应计划和公众周知法，要求设立州和地方应急反应委员会来为社会开发应急反应计划。95年美国环境保护局完成了危险管理计划，要求工厂进行危险性评价，开创应急反应计划，并使该计划用于公众。20世纪70年代以来，随着石油化工生产规模越来越大，危险性物质被频繁、大量的使用，这也导致重大事故泄漏频繁发生，引起了世界各

22、国的广泛关注。国际上相继通过了1990年化学制品公约、1993年预防重大工业事故公约等，敦促世界各国实施相应的政策及预防保护措施，发展基础研究和重大灾害防治应用技术研究。美国、加拿大、欧共体等许多工业发达国家先后投入了大量的人力、物力和财力开展重气泄漏事故的基础理论和相关控制技术的研究工作，取得了较高水平的研究成果。我国政府各有关部门也很重视，原化工部、劳动部、城乡建设部、全国人民防空委员会、国家环境保护局、中国人民解放军参谋部等都进行过专题调查或召开专门会议，力求把防范毒物泄漏等化学事故纳入城市建设总体规划中去，采取了一系列应急措施10。虽然人们对重气意外泄漏造成的危害十分重视，但目前还是缺

23、乏足够且有效的数据为人们风险评估和制定预防措施提供依据。因此为确定危险物质泄漏可能造成的影响范围，对重气泄漏扩散的研究是必要的。对于重气泄漏扩散过程的研究在国外已经三十多年了，而在国内才刚刚开始，且只有少数几家高校和科研所在从事该领域的研究。因此，如何准确地判断泄漏量的大小，掌握泄漏后有毒有害、易燃易爆物料的扩散范围、泄漏速度、泄漏物的浓度分布等技术参数，从而准确确定爆炸危险区、急性中毒致死区、以及无影响的区域，对实施现场控制处理，最大限度地降低事故损失非常重要。进一步地，在对泄漏事故扩散趋势做出准确预测的基础上，制定合理有效的应急救援措施。做好该领域的研究，对于相关法规和标准的制定、重大突发

24、性污染事故的预案和现场救护以及建设性项目的安全、环境评价都是十分有益的。1.3 国内外研究现状目前研究气体扩散问题的理论基础是比较流行的三种理论是梯度输送理论、湍流统计理论和相似理论10-12。a.梯度输送理论。它是菲克用理论类比建立起来的理论。它假定由湍流所引起的局地的某种属性的通量与这种属性的局地梯度成正比，通量的方向与梯度方向相反，比例系数为K，所以又称为K理论。b.湍流统计理论。是泰勒用统计学方法研究湍流扩散问题。该理论的中心是阐述扩散粒子关于时间和空间的概率分布，以便于求出扩散粒子浓度的空间分布和随时间的变化。高斯在大量实测资料分析的基础上，应用湍流统计理论提出了正态分布假设下的扩散

25、模式，即高斯模式。它是目前应用较广的模式。（3）相似理论。其基本观点是湍流是由许多个大小不同的湍涡所构成，大湍涡失去稳定分裂成小湍涡，同时发生了能量转移，这一过程一直进行到最小的湍涡转化为热能为止。从这一基本观点出发，利用量纲分析的基本理论，建立起某种统计物理量的普适函数，再找出普适函数的具体表达式，从而解决湍流扩散问题13,14。在扩散模型研究方面，国内外的许多专家学者也很早进行了大量的研究工作，人们从很早就进行了研究并建立了一些扩散模型，如高斯模型、高斯轨迹烟云模型、Sutton模型等。另外对轻质气体和重质气体泄漏扩散机理研究的也比较多，并提出了相应的模型，如国外典型的ISLAND008重

26、气实验，Heavy Gas模拟模型、唯像模型（B&M Model）、盒子模型（Box Model）、三维CFD模型（CFD Model）、浅水模型（Shallow Layer Model）等等15-17。从80年代开始，对气体泄漏扩散机理的研究，就逐步地采用现场试验的方法，比较著名的有China lake and French man flat试验、Maplin Sands试验和Thorney island系列试验等。China Lake and Frenchman flat试验是美国Lawrence Livemore实验室自1980年开始的历经6年多时间进行的一系列有关重气扩散以及相关的试验

27、，试验地点为美国的加利福尼亚州的China Lake以及内华达试验基地的Frenchman Flat，采用的试验介质为液化天然气。Maplin Sands试验是由Shell Research Ltd.在1980年夏天进行的，试验目的是为了研究可燃重气泄漏扩散以及燃烧行为。试验地点为Thames海湾北海岸的Maplin沙漠地区，采用的试验物料为冷冻液化丙烷和液化天然气。Thorney island系列试验是英国南海岸的一个废弃的空军基地Thorney island上进行的。试验是由英国健康和安全执行局（HSE）组织，试验采用的气体为氟利昂和氮气的混合气，通过调节氟利昂和氮气的配比就可以调节出不同

28、的初始气体密度。国内对重气体扩散研究的起步较晚。张启平18对重气扩散过程中的重气体效应进行了描述。魏利军等19研究了重气体扩散的数学模拟。胡世明等20通过现场试验数据对数值模拟进行了验证。潘旭海21等对重气云团瞬时泄漏扩散进行了数值模拟。黄琴等22采用计算流体力学(CFD)模型模拟了重气泄漏中气体浓度的变化。郑远攀23总结了国内国外现有重气泄漏扩散的数学模理。李剑峰等24针对开县井喷的毒气扩散事故，研究了山地地形条件下如何合理选择湍流模型对重气扩散进行大范围数值模拟。中国环境科学院大气所与劳保所对晕气管道泄漏和储罐爆炸情形进行了风洞模拟试验。刘国梁25在重烟羽扩散的风洞模拟试验中发现了烟羽分叉

29、现象，且分析了围墙和树对重气扩散的影响。1.4 课题的研究方法和内容目前对扩散事故的分析研究，主要是应用事故后果分析技术，作简单分析或者事后推测，也就是根据扩散模式的假说，对已发生的事故案例进行推理分析。由于事故案例的发生条件、事故过程都是根据事故结果倒推的，不能反映事故发生现场的实际情况，因此带有很大的主观性和片面性。如果能用模型试验并结合计算机模拟等手段来研究有害物质的扩散规律，将会大大提高研究的准确性和可靠性。1.4.1 研究内容建立泄漏模拟实验模型，在实验室建立一个发烟装置模拟气体扩散，对拍的烟雾照片进行研究；在获取有关实验数据的基础上，用相关理论为指导，通过数据处理、分析和综合，得出

30、有害气体的泄漏扩散规律。具体的研究内容如下：a.实验室建立气体有害物质泄漏模型；b.应用发烟装置模拟气体扩散，研究泄漏物质的浓度分布及扩散速度；c.通过对现有试验平台得出的数据进行研究和分析，重点研究了二氧化碳在试验模型中的大致扩散规律；d.通过定性试验和定量试验得出的结果进行对比，总结出一般规律；e.给出了建立灾害应急预案的思想和步骤，总结出了应急预案的主要内容。1.4.2 研究方法应用几何相似、运动相似、动力相似的相似理论，在实验室建立有害气体物质的泄漏模型；确定实验条件、参数测试方法和技术要求；根据研究目的在实验室泄漏模型上应用示踪技术进行泄漏试验，并运用高速相机进行拍照。依据试验数据的

31、初步分析，确定是否重新试验，还是进行新一轮的试验；在建立的发烟试验模型中加入发烟材料，并选用高清相机进行拍照，并对照片进行定性分析，最终提出结论。研究的具体技术线路可用下面框图1.3表示：相似理论泄漏模型研究目的技术条件模型试验试验条件测试参数试验分析试验条件问题参数测试问题装置建立结果分析验证实验数据结论项目调研制定方案仪器调试拍照选择发烟材料定性分析图1.3 研究技术路线1.5 论文的关键技术及难点通过上节的文献调研可以看出，对于涉及有大量有毒有害危险物质的生产或储存装置，一旦发生泄漏事故，便会导致严重后果，并不仅厂区内部，而且邻近地区人员的生命和环境都将受到巨大的损失。以往发生的灾难性事

32、故案例的严酷事实证明，对重气泄漏扩散过程的研究刻不容缓。同时，该研究也是建立和完善社会防灾体系及做好城市减灾工作的重要内容之一，将为应急决策提供依据，从而有效地组织抢险救援活动，减少事故损失。因此，该课题的研究不仅具有重要的理论价值，而且具有很高的经济和社会现实意义。目前，气体泄漏扩散过程的研究可以是理论分析或数值模拟，也可以开展现场实验或模拟实验研究。为此本课题根据相似理论，采用彩色示踪剂模拟气体扩散，对意外泄漏事故造成的气体泄漏及扩散过程进行流动显示，研究了重气云团在大气中的流动特性，在此基础上，对影响重气扩散的重要参数进行深入的实验研究。a.拍照过程中烟雾的扩散不确定性因素太多，所以只能

33、对其进行大概的定性分析。b.针对不同的泄漏气体密度、大气风速和泄漏速率等参数，对重气扩散过程进行模拟实验，分析这些重要参数对扩散过程的影响规律。c.目前虽然已有模拟复杂地形条件下重气扩散规律的模型，但未涉及斜坡地形，在以后研究中应尝试。 2 重气的泄漏扩散过程及模型具有毒性和易燃易爆性的危险重气物质，一旦发生泄漏事故，将对周围环境和人员造成巨大危害。大量的易挥发、易燃性重气物质迅速释放到大气中，会形成重气云并逐渐扩散。假如气云在尚未稀释到低于燃烧下限前即被引燃的话，就可能发生非密闭空间气云爆炸或闪火，能引起大范围的破坏。对于有毒物质释放，在蒸气云团的浓度稀释至安全浓度前的扩散范围内能引起中毒。

34、因此，针对泄漏事故形成重气云的典型危险物质泄漏扩散过程及导致的后果进行研究，是非常有必要的。2.1 重气的定义所谓重气就是指具有重气效应的气体，重气效应包含两个方面的含义7：a.常温常压下泄漏物质的气相密度比空气大，从而导致的云团的沉降过程，如氯气，液化石油气，一甲胺，聚乙烯，硫化氢，二氧化碳等；b.储存于加压或低温储罐中的某些液化物质，虽然其气相密度低于空气的密度，但由于液相物质在接触周围暖空气时，迅速闪蒸，一部分物质形成蒸气，其余部分呈现液体状态，以保持气液平衡，但同时相当一部分的液态物质以液滴的方式雾化在蒸气介质中，在泄漏初期，形成含有液滴夹带的混合蒸气云团，云团平均密度大于空气的密度，

35、从而导致云团的沉降，如液氨。2.2 重气云的形成有害物质泄漏从而形成气云是一个十分复杂的现象，其过程决定于储存方式、储存条件(温度、压力)、泄漏方式、物质特性(沸点、密度)及外界风速等，物质泄漏后将与空气、蒸气、液滴及凝结所生成的水滴等结合而形成混合气云。在液体意外泄漏过程中，通常会在气云中夹带微小的液滴，其形成机理可分为下列几种状况：在突然泄漏产生蒸气的过程中，因液体整体沸腾而产生小液滴；蒸气气泡骤然冒出而溅起小液滴；液体从破裂管道或容器喷射出来，破碎后产生小液滴。由此可以看出，有害物质由各种不同状况下泄漏而形成气云的过程十分复杂，且影响因素较多。下图表示了三种不同泄漏形式下重气云的形成过程

36、：a.蒸气由容器或管路裂口形成高速气体喷流，迅速与空气混合形成气云；b.高蒸气压液体和冷冻液化气以低于一大气压下的沸点温度贮存，那么所泄漏的液体会在地面形成液池，再由空气及地面等的传热作用蒸发而产生蒸气，再与空气混合形成气云； c.压力液化气和两相流体，由小洞或减压系统形成高速两相喷流，再与空气混合形成气云。对于后者，当喷出的液体与环境相比处于过热状态时，液体将剧烈沸腾并被分散(闪蒸分散)，同时液体或两相混合物也会由于液体表面的不稳定性而被分散(空气动力分散)，这些破碎的细小液滴混入气云内形成气溶胶。图2.1 重质气云的形成过程262.3 重气云的扩散过程 重气云的扩散因其泄漏的高度不同有所差

37、异，如果是由烟囱直接排放，则气云很快因重力作用而下沉至地面再沿着地表扩散。若是地表附近泄漏则可将其扩散过程分为以下四个阶段，每个阶段发生不同的物理过程27-28：a.初始时刻的泄漏过程阶段：泄漏源控制的初始稀释阶段。当发生爆炸事故或泄漏喷射时，泄漏出来的气云具有相当大的冲力。在泄漏的气体(可能夹带液滴)快速膨胀的过程中，相当多的空气将被卷吸进入气云中。在气云刚开始形成的阶段，主导其运动的作用力为气云本身的惯性力及外界的平均风速。气云从容器泄漏出来时的动量将影响其所形成气云的形状以及其混合作用。另外，气云受外界平均风速的带动而加速且会变形。b.重力沉降阶段和空气卷吸阶段：密度差作用下的重力沉降，

38、包括三方面的变化过程：一是重气塌陷引起烟团径向的尺寸增大。二是周围风场的动量作用于烟团加速及热能传递。三是空气的夹带速率由云内的密度结构分层和径向变化速率决定。当气云初始的动量消失后，主导气云运动的作用力为气云的逆向浮力及外界的湍流扰动，由于重力主导作用使得气云骤降至地面且沿着地表拓展范围，大气湍流以及气云本身因骤降而引起的湍流卷增作用从而引入外界空气将气云稀释。在散布过程中，气云重气流以水平方向运动，但在接近气云前端处，因为回流的存在造成较大的垂直速度，而主要的混合就发生在气云前端稍后的部分，此强烈混合作用就称为卷增效应。所谓卷增效应，就是气云在拓展增大的过程中所有复杂湍流混合作用的统称，此

39、一卷增效应将外界干净空气引入气云中使得气云体积膨胀，但同时也稀释了气云内污染物的浓度，而卷增效应随湍流混合区内外平均风速差增强而增强。除此之外，气云内热力学相位变化以及因温度梯度或密度梯度所引起的对流湍流，也是影响气云扩散的重要因素。同时重气云的形成，也将扰乱大气流场，此交互影响作用十分复杂且重要。c.密度分层阶段：重力扩展和环境流动相互作用的阶段。在此阶段由于空气的大量进入，将重气云团稀释冲淡，使得重力效应减弱，逐步让位于大气湍流作用，浮力驱动流的动能逐渐耗散，重气云的扩散过程由重力扩展阶段转变为密度分层阶段，其密度分层效应要比大气流动中自然发生的分层强得多，分层的直接表现是抑制湍流作用和减

40、小空气卷吸稀释作用。重气云团向外扩展速率减小，大气湍流效应使云团高度增大，空气卷吸速率增大，在热量交换和空气卷吸作用下，云团密度和温度逐步和环境趋同。d.大气湍流扩散阶段：当气云经过一段时间的混合稀释后，其密度因温度提高或浓度降低而逐渐接近外界空气，以致失去其重力下沉的驱动力，而空气夹带起主导作用，烟团的高度开始增大。烟团的高度、半径以及运行状态完全取决于大气湍流特性，扩散过程完全受大气湍流特性控制，气团的稀释取决于大气的紊乱状况，因此在这一阶段气云主要靠大气的湍流作用随空气扩散，相对于前面的扩散行为又可称为被动扩散。2.4 气体泄漏扩散模型关于扩散的计算模型有很多，如Gaussian模型，G

41、aussian轨迹烟云模型，BM模型，SLAB模型，Sutton模型及FEM3模型等。BM模型是由一系列重气连续泄漏模型和瞬时泄漏的实验数据绘制成的计算图表组成，属于经验模型，外延性比较差；SLAB模型是典型的浅层模型；Sutton模型是用湍流扩散统计理论来处理湍流扩散，在模拟可燃气体泄漏扩散是误差较大；FEM3模型适用于处理连续源泄漏及有限时间的泄漏，但其计算量很大，模拟较为困难，且只适用于重质气体的扩散。2.4.1 高斯模型Gaussian模型只适用于中性气体，模拟精度较差，但它可模拟连续泄漏和瞬时泄漏两种泄漏方式，且由于提出方式较早，实验数据多，因此较为成熟，模拟简单，易于理解，运算量小，计算结果与实验值较为吻合等特点，致使该模型得到了广泛的应用。如美国环境保护协会（EPA）所采用的许多标准都是以Gaussian模型为基础而制定的。Gaussian模型包括Gaussian烟羽模型和Gaussian烟团模型，其中烟羽模型适用于连续点源的泄漏扩散，而烟团模型适用于短时间点源的泄漏扩散（突发性瞬间泄漏或泄漏时间小于扩散时间的泄漏）。Gaussian烟羽模型的数学表达式21：式中： C泄漏物质体积百分比浓度； 泄漏源的泄漏速率，m3/s； Hr有效源高，m； u风速， m/s； x, y, z 某点坐标，m； y，z横风向和竖直风向的扩散系数，mGaussian烟团模型的