气体扩散的常见模型

放射气体模型的预估模型

摘要

本文是以日本福岛核电站遭遇自然灾害发生核泄漏的背景而提出的。且结合了高斯烟羽模型、线性拟合，以及微分方程模型，运用MATLAB软件，分析泄漏源强度、风速、大气稳定度参数等因素对放射性气体扩散的影响，预测了放射性气体浓度在不同时间，不同地区的浓度变化，并且本文模型中数据可以根据不同的实际情况而加以改变，因而是本文的应用范围大大增加，可以适用于具有较强的应用型。

对于问题一，讨论在无风的情况下，放射性气体以s m/s的匀速在大气中向四周扩散。本问中由于不考虑风力的影响，且扩散出来的气体匀速向四周散开，这样经过任意时刻t，扩散的气体围成一个半径为st的球，且距球心位置不同的地方浓度值不同。采用列数列的表现方法，设定相同时间段t，把条件进行整理，并经过简单计算得出每段时间所预测得到的扩散距离r和浓度C。利用MATLAB软件对数据进行线性拟合，采用微分方程模型得到核电站周边放射性气体在不同地区，不同时间段的浓度变化，得出随着离泄漏源距离的延伸，最后放射性物质的浓度越来越小，趋近于零，即当x趋向无穷时，C(x,y,z,t)趋向于零；当时间趋向于无穷时，C(x,y,z,t)也趋于无穷。

对于问题二，要探究风速对放射性物质

放射气体模型的预估模型

摘要

本文是以日本福岛核电站遭遇自然灾害发生核泄漏的背景而提出的。且结合了高斯烟羽模型、线性拟合，以及微分方程模型，运用MATLAB软件，分析泄漏源强度、风速、大气稳定度参数等因素对放射性气体扩散的影响，预测了放射性气体浓度在不同时间，不同地区的浓度变化，并且本文模型中数据可以根据不同的实际情况而加以改变，因而是本文的应用范围大大增加，可以适用于具有较强的应用型。

对于问题一，讨论在无风的情况下，放射性气体以s m/s的匀速在大气中向四周扩散。本问中由于不考虑风力的影响，且扩散出来的气体匀速向四周散开，这样经过任意时刻t，扩散的气体围成一个半径为st的球，且距球心位置不同的地方浓度值不同。采用列数列的表现方法，设定相同时间段t，把条件进行整理，并经过简单计算得出每段时间所预测得到的扩散距离r和浓度C。利用MATLAB软件对数据进行线性拟合，采用微分方程模型得到核电站周边放射性气体在不同地区，不同时间段的浓度变化，得出随着离泄漏源距离的延伸，最后放射性物质的浓度越来越小，趋近于零，即当x趋向无穷时，C(x,y,z,t)趋向于零；当时间趋向于无穷时，C(x,y,z,t)也趋于无穷。

对于问题二，要探究风速对放射性物质

摘要

问题的重述

设有一座核电站遇自然灾害发生泄漏，浓度为p0的放射性气体以匀速排出，速度为m kg/s，在无风的情况下，匀速在大气中向四周扩散, 速度为s m/s. 1）请你建立一个描述核电站周边不同距离地区、不同时段放射性物质浓度的预测模型。

2）当风速为k m/s时，给出核电站周边放射性物质浓度的变化情况。

3）当风速为k m/s时，分别给出上风和下风L公里处，放射性物质浓度的预测模型。 4）将你建立的模型应用于福岛核电站的泄漏，计算出福岛核电站的泄漏对我国东海岸，及美国西海岸的影响。

计算所用数据可以在网上搜索或根据具体情况自己模拟。

模型的假设

1. 放射性气体的传播服从菲克第一定律，即单位时间通过单位法向面积的流量与它的浓度成正比。

2. 假定无地形差异，不考虑逆温，对流对放射性气体浓度变化的影响。 3. 放射性气体在空气中扩散时没有损失，质量始终守恒，且在扩散过程中不发生化学反应。

4. 放射性气体由某一点源向各个方向等强度释放进行扩散，源强是连续并且均匀的。

主要基本符号说明

符号 说明 下风向距离 横风向距离 距地面高度 放射性气体在空间中的浓度 放射性污染物源强，即释放率 风速 分别为水平方向和垂直方向的扩

关于核电站泄漏放射性气体扩散的预估模型

摘要

由于核泄漏导致放射性气体扩散对经济和人身造成巨大损失的报道在国内外屡见不鲜，本文中日本福岛核泄漏事件更加使我们认识到对放射性气体扩散进行合理性的预估从而为以后类似于此的突发性事件作积极有效的补救措施的重要性。

对于问题一我们运用了点源烟羽扩散模型，用抛物型二阶偏微分方程解出理想状态下的不同时刻、不同地点的浓度表达式：C(x,y,z,t)?Qe(4?kt)32?x2?y2?z24kt。

此模型是建立在以泄漏点为圆心的一个无界球形区域内的。为了使模型更符合实际情况，能够被应用于现实生活中，我们在泄漏源有效高度的确定和考虑地面反射与吸收作用下对此模型进行了修正，最终得到问题一浓度的确定公式(14)C(x,y,z,t)的表达式。

对于问题二，我们采用高位连续点源烟羽扩散模式，其扩散服从正态分布，

并根据概率论的相关知识通过数学公式推导，得到理想状态下的高斯模型，由泄漏源有效高度，地面反射等因素的影响对其进行修正，又由于重力干沉积，雨洗湿沉积以及核衰变等因素对源强的影响，对高斯烟羽模型再次进行修正，最终得到泄漏源周边浓度变化情况即公式(32)，在风速为km/s的条件下浓度为

C(x,y,z,H)。

对于问

气体扩散系数的测定

实验目的

1.了解和掌握气体扩散系数测定的一般方法； 2.认识菲克定律；

3.测定并计算气体扩散系数；

4.求出液体表面蒸发的气体扩散系数。 实验原理

挥发性液体之气体扩散系数可藉由Winklemann's method来检测,在有限内径的垂直毛细管中保持固定的温度和经过毛细管顶部的空气流量,可确定液体表面的分子扩散到气体中的蒸气分压。

最小平方法或称最小平方差法 (least-squares method) 的最基础型——线型的 (linear).今有一组实验数据基本上呈现线型的态势,则若以表示直线方程式,其中代表斜率 (slope),代表截距 (intercept),则最小平方法就是在使误差的平方和达到最小,即使下式最小化 (minimize)，因此将上二式常规化 (normalize) 得据此可由Cramer法则求出斜率和截距。其中是的平均值,是的平均值.一般而言,线性关系的良窈可由E值的大小来判断,但要注意值本身的大小.此外,统计学家尚有一个相关系数 (correlation coefficient) 的判断法,相关系数R可由计算得到。

气体的扩散系数与系统的温度、压力以及物质的性质有关。对于双组分气体混合物，组分

放射性气体扩散的预估

摘要

本文是在大气扩散理论的基础上，综合考虑各种影响核辐射物质扩散的因素，包括风速，雨水，核衰减等因素，就所给四个问题，建立了五个模型，并利用Matlab对结果进行绘图，得出了与实际监测数据一致结果。

针对问题一，本文对泄漏点西向检测数据进行简单线性回归分析，刻画出了距离与辐射浓度的直观关系，得出在r=368.69km时，核辐射量就降为0。考虑到放射性物质是连续不断的泄漏的，我们建立了烟雾扩散模型并通过考虑热力抬升与地面反射对模型进行修正，用Matlab绘出了对人体有害的浓度区域。

对于问题二，我们建立单点源的高斯模型模型，考虑干沉积，小风，地面的干沉积量， 雨洗作用，放射性衰变的影响，对高斯模型进行了修改，并画出风速为km/s时的浓度等高线图。

对于问题三，本文在问题二的基础上，结合考虑风速和放射性物质扩散速度在空间中的矢量运算，得出在对上风口分析时，要分类讨论风速和自然扩散速度之间的大小关系，当风速小于自然扩散速度时，放射性物质是无法到达上风口的。 对于问题四，采用了ADMS扩散模型，得到比高斯模型更锲合实际的数据从全球系统入手在以上模型的基础上对扩散进行了分析，得出核扩散对我国东南沿海和美国西海岸影响不大的结论。

常见气体的爆炸极限

气体名称 化学分子式/在空气中的爆炸极限 (体积分数) / %

下限(V/V) 上限(V/V) 乙烷 C2H6 乙醇 C2H5OH 乙烯 C2H4 氢气 H2 硫化氢 H2S 甲烷 CH4 甲醇 CH3OH 丙烷 C3H8 甲苯 C6H5CH3 二甲苯 C6H5(CH3)2 乙炔 C2H2 氨气 NH3 苯 C6H6 丁烷 C4H10 一氧化碳 CO 丙烯 C3H6 丙酮 CH3COCH3

篇一：高斯烟羽模型

模型假设：

1、 坐标系

高斯模型的坐标系如图2.1所示，原点为排放点（若为高架源，原点为排放点在地面的投影），x轴正向为风速方向，y轴在水平面上垂直于x轴，正向在x轴的左侧，z轴垂直于水平面xoy，向上为正向。在此坐标系下烟流中心线或烟流中心线在xoy面的投影与x轴重合。

2、模型假设

(1)污染物的浓度在y、z轴上的分布是高斯分布（正态分布）的；

(2)污染源的源强是连续且均匀的，初始时刻云团内部的浓度、温度呈均匀分布；

(3)扩散过程中不考虑云团内部温度的变化，忽略热传递、热对流及热辐射；

(4)泄漏气体是理想气体，遵守理想气体状态方程；

(5)在水平方向，大气扩散系数呈各向同性；

(6)取x轴为平均风速方向，整个扩散过程中风速的大小、方向保持不变，不随地点、时间变化而变化；

(7)地面对泄漏气体起全反射作用，不发生吸收或吸附作用；

(8)整个过程中，泄漏气体不发生沉降、分解，不发生任何化学反应等。

3、模型公式推导

由正态分布假设可以导出下风向任意一点X（x,y,z）处泄漏气体浓度的函数为：

X(x,y,z)?A(x)e?ay2e?bz2

（1）

由概率统计理论可以写出方差的表达式为：

???2??y

???2??z???

Q??????0y2Xdy??

常见气体的爆炸极限

气体名称 化学分子式/在空气中的爆炸极限 (体积分数) / %

下限(V/V) 上限(V/V) 乙烷 C2H6 乙醇 C2H5OH 乙烯 C2H4 氢气 H2 硫化氢 H2S 甲烷 CH4 甲醇 CH3OH 丙烷 C3H8 甲苯 C6H5CH3 二甲苯 C6H5(CH3)2 乙炔 C2H2 氨气 NH3 苯 C6H6 丁烷 C4H10 一氧化碳 CO 丙烯 C3H6 丙酮 CH3COCH3

具有很高的参考价值

常见气体的粘度、密度值25℃,常压密度 物质 空气 氨气 氩 丁烷 丁烯 二氧化碳 一氧化碳 二甲醚 乙烷 乙烯 氢 氢化硫 异丁烷 异丁烯 氪 甲烷 氖 新戊烷 氮 一氧化二氮 氧 仲氢 丙烷 丙烯 R11 R114 R115 R116 R12 R124 R125 R13 R134a R14 英文名 kg/m air ammonia argon butane 1- butene carbon dioxide carbon monoxide dimethyl ether ethane ethylene (ethane) hydrogen hydrogen sulfide isobutane isobutene krypton methane neon neopentane nitrogen nitrous oxide oxygen parahydrogen propane propylene3

动力粘度 μ Pa·s 18.448 10.093 22.624 7.406 8.163 14.932 17.649 9.100 9.354 10.318 8.915 12.387 7.498 8.085 25.132 11.