【环境仿真专题第四讲】使用Code_Saturne模拟化学污染物在复杂建筑环境下的大气扩散

本周还是围绕环境污染问题

带来环境仿真专题的第四个案例

图文详解 仿真思路更清晰

一起来学习吧

评估污染物通过复杂地形（如山地上和城市中的高楼大厦之间）的扩散对环境造成的影响，可以将这类污染的影响降至最低。

• 《环境仿真专题》第四讲
  

• 使用Code_Saturne模拟化学污染物在复杂建筑环境下的大气扩散

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研究背景

城市区域建筑林立，地形复杂，如果出现大规模化学品泄漏，将会在近地面处形成重气云团，这是因为化学品分子量较大的原因导致的。其随流场扩散的行为受到诸多因素影响，因此需要有效的手段对城市区域内高分子量物质的扩散进行预测以评估潜在的安全风险，并制定相关的紧急响应手段。

JackRabbit II（JRII）实验场地和装置

实验手段是常见的研究方式之一， 美国的Jack Rabbit II（JRII）实验就是通过在人工建造的模拟城市环境内释放高压液化氯，以研究城市环境下高分子量物质的扩散行为。然而进行该实验需求的成本过大，时间过长，规模有限，因此如果可以使用CFD手段快速模拟化学污染物在不同城市布局下的不同位置、不同风向等等多种情况下的泄漏情况，将大大减少相关成本，从而获得更全面和更多样的数据信息。

法国原子能中心CEA与欧洲ARIA大气科学公司使用了CFD方法，采用通用CFD求解软件Code_Saturne，对Jack Rabbit II（JRII）实验进行了数值建模和仿真模拟。

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软件介绍

Code_Saturne是法国电力集团（EDF）研发的一款通用计算流体力学开源软件。基于有限体积方法，支持多种类型网格，通过求解纳维-斯托克斯方程，用于处理二维、二维对称、三维，稳态或非稳态，层流或湍流，不可压或微可压流体，等温或非等温等多种计算问题。软件涵盖大气模拟、煤粉、重质燃料及生物质的燃烧、电弧与焦耳效应、颗粒追踪、流体机械转子-定子互动等多种工业应用物理模块，并在工业领域得到广泛的应用与认可。

03

模型建立

杜格威试验场地势平坦无起伏，模拟城市为约80个高度不同的集装箱组成的交错阵列，占地122㎡的方形区域。

所有集装箱皆视为规则的立方体，集装箱壁及地面具有0.5毫米的粗糙度。在试验场地设置了3个高为32米的风速测量装置，测量装置上每隔几米就安装有一个风速测量仪，每秒测量一次风速。由于实验场所平坦开阔，环境比较稳定，且C12释放时间不长，因此可以认为风速和风向都是稳定的。10分钟内的平均风速，风向为南风（与集装箱平行）。

假设共有10吨C12将被释放，C12释放过程设置为20s内发生的闪蒸现象。

 在Code_Saturne中使用混合气体模型进行计算，仿真模拟分为两步进行：

• 首先计算无C12释放状态下的稳态风场；

• 再以稳态计算的结果作为初始状态，进行瞬态计算来模拟C12释放后的扩散和分布情况。

04

模拟结果

整个模拟城市区域速度云图，和C12释放并扩散至布满整个模拟城市区域时的浓度云图，如下图所示：

距地面1m处速度场云图 

距地面1m处C12浓度云图

C12浓度在垂直切面上的云图

 下图展示了Code_Saturne仿真计算得出的31s、40s、50s、60s、70s时刻的C12浓度分布的预测结果：

使用Code_Saturne和PMSS模型对美军JRII实验进行了复现，通过对三种不同CFD模型的结果比较，证明Code_Saturne模拟的结果是准确可信的。

小结：

本案例是将环境仿真技术应用于模拟化学污染物在复杂建筑环境下的大气扩散，模拟结果表示Code_Saturne能够准确地模拟出大分子量重气云团在复杂结构间的扩散运动。

因此，Code_Saturne有能力预测不同气象风向条件下流体扩散的范围，可以用于对城市区域内化学品泄漏后的扩散进行预测。并且，对于不同气象条件、不同泄漏位置、不同城市结构，Code_Saturne能够进行快速、准确的分析，以制定相关的紧急响应策略。

END

今天的案例分享就到这里啦

下周继续新专栏的分享

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