SLAB用户手册模拟重气体泄漏的空气扩散模型中文简要用户使用手册.docx

SLAB 用户手册:模拟重气体泄漏的空气扩散模型中文简要用户使用手册环境保护部环境工程评估中心国家环境保护环境影响评价数值模拟重点实验室手册说明本用户手册基于USERS MANUAL FOR SLAB: AN ATMOSPHERIC DISPERSION MODEL FOR DENSER-THAN-AIR RELEASES(1990.06)编写，仅对美国EPA网站所提供的模拟重气体泄漏的空气扩散模型SLAB的使用方法提供中文版简要说明，更详细的程序使用说明请查阅相关的软件手册及文档，或采用带图形界面版的商业软件。本手册由环境保护部环境工程评估中心 国家环境保护环境影响评价数值模拟重点实验室负责编写，参与人员包括：易爱华、陈陆霞、胡翠娟、梁昊、杨晔、丁峰等。本手册版权所有，转载及印刷请与环境保护部环境工程评估中心联系。本手册所涉及的模型系统及本手册电子版本下载地址：一、 SLAB简介SLAB是用于模拟重气体泄漏的空气扩散模型。该模型最初基于Zeman于1982年提出的关于重气体云的空气卷吸和重力扩散的理念而开发。SLAB早期相关工作由美国能源署支持。SLAB的进一步开发由USAF工程和服务中心（1986年开始）和美国石油学会（1987开始）共同提供支持。现行的SLAB版本可以模拟连续的、限时的和瞬时的物质泄漏，泄漏源包括以下4种：地面液池蒸发、高于地面的水平射流、烟囱或高于地面的垂直射流，以及瞬时释放。SLAB除可以用于模拟重气体的扩散，还可以模拟中性浮力气体的烟云扩散，以及烟云轻于空气时的上升过程。泄漏时的空气扩散过程可以通过求解质量、动量、能力和物质的守恒方程来计算，如图1所示。为了简化守恒方程的求解过程，方程可以通过将烟云作为稳态烟羽或瞬时烟团在空间上进行平均。连续排放（持续时间非常长的排放源）可以作为稳态烟羽。有限时间的排放采用稳态烟羽模式描述最初烟云的扩散，而且在该排放源持续泄漏的时间段内，可以一直使用稳态烟羽模式。释放一旦终止，烟团被视为瞬时烟团，之后的扩散采用瞬时烟团模式来计算。对于瞬时泄漏的排放源，整个过程都均使用瞬时烟团扩散模式。二、 理论介绍2.1 重气体扩散模型简介重气体泄漏的空气扩散模型受到多种物理现象的影响，这些物理现象在中性或浮力气体泄漏中可能不会发生或者即便发生也不是很重要。这些物理现象包括：重气体烟云的稳定密度分层导致的湍流衰减；由于重力流和初始排放源动量导致的环境速率场的改变；由于液滴形成和挥发以及在过热或低温液体排放情况下的地面加热对烟云温度、浮力和湍流的热力学效应；此外，我们所关注的某种特定的重气体的浓度可能和典型大气污染物关注的累积浓度差别很大。例入，对于易燃气体，关注的是瞬间浓度；而对于有毒气体，关注的则是几分钟到几小时的浓度，以及累积浓度。因此，为了能够更好的预测出重气体泄漏时有毒浓度区的大小和持续时间，所有重要的物力现象都需要进行考虑，而且预测过程中要使用最合理的浓度平均时间。为了满足重气体泄漏情形的要求，SLAB模型以质量、动量、能量和物质守恒方程的平均形式为起点，在该理论框架的基础上进行开发（如图1所示）。这些方程用于计算扩散烟团的空间平均性质，并且以两种方式来代表两种不同的扩散模式：稳态烟羽扩散模式和瞬时烟团扩散模式。2.2 模型组成SLAB模型的计算流如图2所示。一个典型的模拟过程主要包括三个层次：源类型识别和初始化，烟云扩散计算和时间平均浓度计算。通过守恒方程求解，获得瞬时空间平均气云特性，从而计算得到时间平均体积浓度。 2.3 控制扩散方程2.3.1 稳态烟羽模式SLAB的稳态烟羽模式基于稳态侧风向平均的质量、动量、能量和物质守恒方程，并且使用空气卷吸概念来考虑气体云与环境大气的湍流混合，如图3所示。图3 SLAB 烟羽扩散模型预测的重气云扩散2.3.2 瞬时烟团模式Slab的瞬时烟团模式基于体积平均浓度的质量、动量、能量和物质守恒方程，采用空气卷吸理念来考虑云和周围空气的湍流混合。图4 SLAB 烟团扩散模型预测的重气体云扩散2.3.3 烟羽向烟团转化模式瞬时排放源或短时间持续的液池蒸发可以采用烟团模式进行模拟，同时泄漏结束或者稳态期结束后的泄漏源也可以采用烟团模式进行模拟。在后一种情况下，当扩散方程由稳态烟羽方程向瞬时烟团方程转变时，存在空间平均气云性质在计算上的转变。稳态烟羽模式下，在气云的侧风向上进行空间平均；瞬时烟团模式下，在气云的整个体积上进行空间平均。因此，为了开始烟团模式的计算，需要定义这一转变时刻的传输时间，该时间的云长度，以及此时的质量中心。三、 用户指南3.1 输入文件运行SLAB需要约30个输入参数。这些参数包括源类型、源性质、泄漏性质、场地性质、气象参数等。表1 输入变量的定义源类型和数值子步骤参数IDSPL泄漏源类型1液池泄漏2水平喷射泄漏3垂直喷射或烟囱泄漏4瞬时或短持续时间液池挥发NCALC数值子步骤参数源性质WMS泄漏物质的分子质量（KG）CPS恒压下的蒸汽热容（J/KG K）TBP沸点温度（K）CMEDO初始液体质量比DHE汽化热（J/KG）CPSL液体热容（J/KG K）RHOSL源物质的液体密度（KG/M3）SPB饱和气压常数（默认：SPB=-1.0）SPC饱和气压常数（默认：SPC=0.0）泄漏参数TS物质温度（K）QS质量源速度（KG/S）AS源面积（M2）TSD连续源持续时间（S）QTIS瞬时源质量（KG）HS源高度（M）场地参数TAV浓度平均时间（S）XFFM最大下风向距离（M）ZP(I)浓度计算高度（M）；I=1，4气象参数ZO地表粗糙高度（M）ZA环境测量高度（M）UA环境风速（M/S）TA环境温度（K）RH相对湿度（百分娩比）STAB稳定度等级等级值描述A-F1.0-6.0不稳定稳定默认0.0输入稳定度参数“ALA”ALAM-O长度的倒数（1/M）（ALA是仅当STAB=0.0成立时的输入参数）3.1.1 源类型和数值子步骤参数3.1.2.1 IDSPL-源类型SLAB可处理四种类型的源：1-液池泄漏，2-水平喷射泄漏，3-垂直喷射或烟囱泄漏，4-瞬时或短持续时间的液池泄漏。3.1.2.2 NCALC-数值子步骤参数参数NCALC是一个整数子步骤乘数，它指定了在守恒方程积分期间执行的计算子步骤的数量。通常推荐NCALC=1。3.1.2 源性质3.1.2.1 WMS源物质的分子质量（kg）3.1.2.2 CPS恒压下的蒸汽热容（J/kg K）3.1.2.3 TBP源物质的沸点温度（K）3.1.2.4 CMEDO初始液体质量比其中CPSL是物质在液相中的比热，DHE是在沸点温度TSP下的挥发热。3.1.2.5 DHE沸点温度下的汽化热（J/kg）3.1.2.6 CPSL源物质的液体比热（J/kg K）3.1.2.7 RHOSL源物质的液体密度（kg/m3）3.1.2.8 SPB，SPC饱和蒸气压常数SLAB中使用的关于饱和蒸气压的饱和蒸气压常数表达式如下：其中PA是环境气压（在SLAB中经常是PA=101325 N/m3=1 atm），T是当地云温度，以K为单位。当饱和气压常数未知时，可用默认的选项，指定SPB值为“-1.0”及SPC值为“0.0”。此时将使用Clapeyron方程来定义SPB值。3.1.3 泄漏参数3.1.3.1 TS泄漏物质的温度（。K）源温度的定义（TS）取决于泄漏的类型。当泄漏是挥发池（IDSPL=1或4），温度是沸点温度TBP。当瞬时泄漏（IDSPL=4）时，源温度是物质在排放瞬间的温度。对于喷射泄漏（IDSPL=2或3），源相关参数为物质在其完全膨胀后的性质。其性质为可根据公式进行计算。3.1.3.2 QS源排放速率（kg/s）是指连续泄漏的排放速率，即液池排放（IDSPL=1）、喷射排放中的一种（IDSPL=2或3）以及短持续时间液池挥发（IDSPL=4）。对于瞬时排放（IDSPL=4），源排放速率应该设置为等于0（QS=0.0）。3.1.3.3 AS源面积（m2）源面积对于不同泄漏类型有不同定义。对于液池挥发（IDSPL=1或4），AS是挥发池的面积。如果AS未知，它可以通过有效挥发速度WS使用以下公式来进行计算：其中QS是输入源排放速率，RHOS是源物质在沸点温度TBP下的蒸汽密度，WS是以速度表达的已知挥发速度（m/s）。蒸汽密度RHOS由理想气体定律计算：其中WMS是输入的源物质的分子质量，Pa是环境大气压（Pa=101325 N/m2），Rc是气体常数（Rc=8.31431 J/mol K），TBP是输入沸点温度。当源是压力状态下的水平或垂直喷射排放（IDSPL=2或3）时，AS是完全膨胀后，气压降至环境大气压水平后的源面积。如果源物质作为纯蒸汽储存和排放（CMEDO=0.0），建议将膨胀视为绝热过程。源面积可以表达为：其中Pst是储存压强，Pa是环境大气压，TS是输入源温度，Tst是储存温度，Ap是破裂或开口的实际面积。当源物质作为液体加压储存并作为两相喷射排放时，AS是闪蒸并且形成纯物质液滴蒸汽混合物后的源面积。在这种情况下，AS值由下面公式给出：其中RHOSL是输入源物质的液体密度，Ap是破裂或开口的实际面积，rm值可以由状态方程计算并且将其中一些项进行重组其中CMEDO是输入初始液体质量比，RHOSL是输入源物质的液体密度，RHOS是源物质在沸点温度下的蒸汽密度，如本节中前面部分所述。在瞬时泄漏（IDSPL=4）的情况下，AS是中心在点X=Y=Z=0.0的地面上的体源的面积。源面积定义为：其中Va是瞬时排放的体积，HS是体积的高度，QTIS是输入排放质量，rsi是初始排放密度。当源是纯蒸汽排放时，rsi是纯物质在源温度TS下的蒸汽密度，由下式给出：当源是液体蒸汽混合物时，rsi是在沸点温度TSP下的混合物密度rm，其液体质量比为CMEDO。3.1.3.4 TSD连续源持续时间（s）这一参数指定了从液池（IDSPL=1或4）或喷射（IDSPL=2或3）源排放的持续时间。当模拟瞬时泄漏时TSD应该被设置为0（TSD=0.0）。3.1.3.5 QTIS瞬时源质量（kg）瞬时排放（IDSPL=4）的总质量。对于挥发池或喷射排放，QTIS应该被设置为0（QTIS=0.0）。3.1.3.6 HS源高度（m）源高度的定义对于每种源类型各不相同。在挥发池排放的情况下（IDSPL=1或4），HS=0.0因为液池为地面水平。对于水平喷射（IDSPL=2），HS是喷射中心的高度，而在垂直喷射排放的情况下（IDSPL=3），HS是喷射或烟囱的实际高度。当模拟瞬时排放（IDSPL=4）时，HS是瞬时排放的高度，此时的源高度HS与源面积AS的乘积等于排放的总体积。3.1.4 场地参数3.1.4.1 TAV浓度平均时间浓度平均时间是指安全标准关注的的合适平均时间。例如，对于特定物质如果关注的标准是1 hr暴露最大平均浓度是100ppm，那么TAV=3600 s。对于特定的有毒物质，都会有一些需要关注的标准，每一个标准对应不同的暴露时间。因此，有8小时、1小时、15分钟或小于1分钟的暴露限值。在这种情况下，SLAB将要运行四次，每一次TAV值不同，对应的暴露的合适持续时间也不同。3.1.4.2 XFFM最大下风向距离（m）3.1.4.3 ZP(I)浓度计算高度（m）3.1.5 气象参数3.1.5.1 ZO地表粗糙度（m）表3 典型地表粗糙度建议值地表类型地表粗糙度Zo(cm)平滑泥面；冰0.001平滑雪面0.005平滑海面0.02水平沙面0.03雪面；不超过1cm高的草坪0.1不超过5cm的草坪和草地1-2不超过60cm的草坪和草地4-9长成的农作物143.1.5.2 ZA气象观测高度（m）此高度应该明显大于地表粗糙度，ZAZO。3.1.5.3 UA风速（m/s）3.1.5.4 TA环境温度（K）3.1.5.5 RH相对湿度（百分比）3.1.5.6 STAB稳定度等级值可以用从1.0到6.0来描述环境大气稳定度表4 大气稳定度表等级值描述A1.0非常不稳定B2.0不稳定C3.0略微不稳定D4.0中性E5.0略微稳定F6.0稳定默认0.0输入稳定度参数“ALA”在代码中也可以使用M-O长度描述大气稳定度。此时设置STAB=0.0，然后指定M-O长度的倒数作为ALA的值。3.1.5.7 ALAM-O长度的倒数（m-1）3.1.6 输入文件结束在输入文件的末尾加上“-1.0”作为输入中止条件。3.2 输出文件输出文件包括七个类型的信息，可以分为三类；即，l 问题描述，l 瞬间空间平均气云性质，l 时间平均体积比3.3.1 问题描述问题描述给出了模拟中实际使用的参数值。列出的参数包话输入参数和描述泄漏情形的其他参数。3.3.2 瞬时空间平均气云性质瞬时空间平均气云性质输出给出了模拟的中间计算结果。3.3.3 时间平均体积比应用时一般最为关注的主要输出结果是时间平均浓度。在SLAB输出结果中，时间平均浓度表达为时间平均体积比，其值在0.0到1.0之间，将体积比乘以一百万即可转化为ppm。