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【环境仿真专题第三讲】基于Code_Saturne对生化污染在城区室内及室外环境下的扩散过程预测

格物CAE

2年前浏览4269

近日北方多地遭受沙尘暴袭击

恶劣的天气导致空气中有害物质的浓度骤然升高

造成了严重的环境污染问题

本周的环境仿真专题将围绕环境污染问题

为大家带来第三个案例

突发环境事件不仅仅会威胁人类的生存环境，也会威胁到国家的安全。如何减少环境污染对于国家安全的影响，是我们必须要思考的问题。

《环境仿真专题》第三讲
基于Code_Saturne对生化污染在城区室内及室外环境下的扩散过程预测

研究背景

根据欧洲的公共安全法规，在大城市公共场所设计和建造过程中，需要考虑遭受可能的生化武器恐怖袭击后生化污染的扩散情况，并为相应的紧急情况响应机制的制定提供依据。

通过数值模拟的方法，可以建立全尺度的CFD模型，使用Code_saturne对具体的公共场所，如地铁站、火车站、商场进行小尺度上的模拟，同时与适用于大尺度的城市简化流场与扩散模型（Urban simplified flow and dispersion model, PMSS）耦合，计算大范围公共场所周边地区的污染扩散情况，以确定污染是否会仅影响局部区域，或是扩散至周围的临近城区。

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。

案例展示

法国原子能中心CEA与欧洲ARIA大气科学公司使用Code_Saturne与PMSS耦合，对巴黎北站及其周边地区在遭受假设的一场生化武器恐怖袭击后，生化污染的扩散情况的分析，以确定在袭击发生后哪些区域最易遭受污染，以此为依据制定相应的紧急响应策略。

巴黎北站是法国国铁（SNCF）在巴黎的七大列车始发站之一，位于巴黎市区北部的第十区，包含了多种铁路运输服务和城市轨道交通服务，如巴黎地铁、大区列车、远郊铁路、省际列车、TGV和欧洲之星等。就旅客人数而言，每年约有1.8亿人次, 目前是欧洲最繁忙的铁路车站之一。

巴黎北站周边地图

火车站乘客出入口

火车出发到达口

计算域包括了巴黎北站及其周围的1km x1km的区域，对计算域内的建筑物进行了还原。

计算域划分情况

计算域被划分为两个部分：

火车站及其周围小范围区域定义为内部区域，网格划分尺度为1m，使用Code_Saturne进行计算；
其余区域划分为外部区域，网格尺度为3m，使用PMSS模型进行计算。

由于污染物颗粒尺寸非常小，本案假设污染物颗粒对流场不产生影响，因此计算分为两步进行：

首先仿真计算出自然环境下的流场分布；
再计算污染物颗粒在此流场中的运动情况。

模拟结果

巴黎位于欧亚大陆西端，受大西洋影响因而区域盛行西风和南风，因此首先针对这两种风向进行模拟以得出计算域内的流场信息。

一、盛行西风，风速为3m/s

整个计算域的速度云图与火车站内部的流线图如下：

可以看到由于火车站整体为南北方向，因此室内的风速并不大, 而火车站周围的街道上风速较大。

此时，假设在火车站旅客入口处发生生化武器袭击事件，释放生化污染物持续5分钟。由于火车站整体为南北方向，扩散至火车站内部的污染物并不多，而周围的街道上的风速较大，导致在生化污染物释放的8分钟后就迅速扩散到南侧和东侧区域。因此在制定相应的紧急响应机制时，应对这一区域制定快速疏散策略。

火车站旅客入口处发生生化武器袭击2分钟/8分钟/23分钟后的生化污染物扩散情况

若假设此时在火车站内部发生袭击，释放生化污染物5分钟，则可以观察到污染物集中留存在火车站内，部分污染物从火车站出口以及铁轨处扩散至东侧，浓度相对较低，但值得注意的是在火车站东侧有一所医院，制定应急策略时应将这一因素考虑在内。

火车站内部发生生化武器袭击2分钟/8分钟/23分钟后的生化污染物扩散情况

二、盛行南风，风速为3m/s

整个计算域的速度云图与火车站内部的流线图如下：

此时假设在火车站旅客入口处发生袭击，释放生化污染物5分钟，可以观察到生化污染物的扩散结果如下图所示：

火车站旅客入口处发生生化武器袭击2分钟/8分钟/23分钟后的生化污染物扩散情况

假设在火车站内部发生袭击，释放生化污染物5分钟，可以观察到生化污染物的扩散结果如下图所示：

火车站内部发生生化武器袭击2分钟/8分钟/23分钟后的生化污染物扩散情况

可以看到，在两种情况下生化污染物非常容易从火车站内扩散至外部，并且大部分污染物会在8分钟内扩散至北部的医院区域，在制定应急疏散策略时，需要对这一区域重点关注。

本案例计算中，还在重点关注区域设置了生化污染物浓度的监测点，以监控该地区在污染物释放后的1小时内的污染物浓度变化情况。可以得出，在吹南风的情况下，车站内的污染物在流场的作用下很快的扩散至外界；而吹西风时，污染物很难被排出，火车站内的污染物浓度始终维持在一个较高的浓度。

上图表示火车站内部监控点处的污染物浓度在火车站内部发生生化武器袭击（蓝色点）以及火车站旅客入口处（红色点）两种污染物释放源位置情况下，污染物释放后的1小时之内的变化情况。左侧为盛行南风条件下的浓度变化情况，右侧为盛行西风条件下的浓度变化情况。

研究结论

使用Code_Saturne与PMSS耦合实现了局部地区尺度和城区大范围尺度的耦合仿真计算，模拟了巴黎北站在遭受假设的生化武器恐怖袭击后，火车站内与火车站周围城区的生化污染物扩散情况。模拟结果显示，如果在巴黎北站发生生化恐怖袭击，在不同的气象风向条件下，除火车站内会遭受生化污染危害，污染物也会扩散到周边城区中，其中火车站东侧和北侧潜在的受污染风险最大。因此在制定紧急响应策略时，应针对这些易受害区域进行相应的保护和快速疏散对策。

小结

本案例是将环境仿真技术应用于模拟生化污染在城区室内及室外环境下的扩散过程，模拟结果表明Code_Saturne有能力预测不同气象风向条件下流体扩散的范围，并精准预测易受灾害区域。除此之外，Code_Saturne还可以应用大气模拟、颗粒追踪、生物质的燃烧等环境模拟情景。

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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首次发布时间：2022-07-11