摘要：利用CFD中的ENVI-MET软件模拟研究了2015年4月21号南京扬子石化爆炸产生的污染物在其附近的扩散情况，研究发现：（1）石化爆炸中污染物的积累主要发生在其风向下游的建筑物的背风测空腔区内，并以此为中心向周围递减；（2）污染物的浓度随着时间的推移都呈现出逐渐减小的趋势。
关键字：ENVI-MET；污染物浓度；风场
1 物理数学模型及条件的设定
1.1 物理模型和网格划分
在此次模拟中，为了降低计算难度，我选择把水平计算区域等比例缩小7倍，垂直方向不变。缩小后的计算域为120*156*50。我选取的格局为3*3*2.5m，因此网格数总量为40*52*20。水平方向的网格为等距网格，垂直方向的网格划分选择底层细分法。
1.2 参数及边界条件的设置
本次软件中模拟的地区中国南京，在模拟石化爆炸的过程中各种参数的设定如下：模拟的时间从2015年4月21号早上6点到6点半，总模拟时长为半小时；爆炸源设为点源，爆炸释放出的VOC气体用PM10来代替，气体的排放速率为60kg/s，粒子直径为10um，风速大小为4m/s，风向为西南风，2米高的相对湿度为30%，2500米高度上的绝对湿度由于无法测得，采用其默认值；初始大气温度为10摄氏度；温度和湿度的边界模式选用开式LBC（边界模型），湍流的边界模式选用闭式LBC。
2模拟分析
2.1对南京扬子石化爆炸中污染物水平方向上扩散的模拟分析
图1表示在z=2m处，建筑物附近的风场和浓度场。从图1(a)中可以看出在建筑物的迎风面与背风面，即建筑物的西南侧与东北侧，都形成了一个风速极小的区域。如图1(a)中建筑物的西南侧极小风速区；而另一支沿建筑物向上流动，这支向上流动的气流又分为三部分：一部分从建筑物顶部绕流到建筑物后部，由于建筑物后部压力较小，气流会在此形成一个顺时针涡旋，这个部分被称为空腔区，空腔区内风速较小，如图1(a)中建筑物东北侧背风面的极小风速区；第二部分则绕到距建筑物顶相对较远的区域与主气流汇合，形成位移区，位移区内的风速较大；第三部分则会在建筑物顶部形成顶部回流，这部分风速也极小。
从图1(b)中可以看出，污染物最大浓度出现在污染源下风向建筑物的背风侧空腔区内，并以此区域为中心向周围递减。出现这种现象是因为在空腔区内存在涡旋，当污染物被输送到空腔区内时，便在涡旋的作用下很难再被输送出去，因此会在此沉积，形成高浓度区。
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图1 z=2时，xy平面的风场（a）与浓度场（b） 图2 Z=10m时，xy平面的风场（a）与浓度场（b）
从图2(a)中可以看出，在仅剩的建筑物背风侧的空腔区内及迎风面附近风速比周围风速小，这与前面的分析一致，并且，在该水平截面图中出现了几个风速比周围风速小的在3-4m之间的蓝色区域，这些区域为建筑物顶部的回流区，由于这些区域内存在顶部回流，因此风速会较周围地区的风速小，所以出现了图2(a)所示的现象。而在图2(b)中，源附近的浓度达到最大；在建筑物的空腔区内，污染物的浓度达到0.5g/，而在z=2m的浓度场截图中最高浓度也仅为0.2 g/。
当z=15m时，x=30处最高建筑物的背风侧空腔区内及迎风侧都出现了风速极小的区域，这与图2(a)中的情况相同。但是，这一条件下的风速场与图2(a)的风速场有一个很大的不同，在图2(a)的左侧出现的是大片蓝色的低风速区，而该情况下的左侧出现的是大片黄色的高风速区。这一情况下截面图位于低建筑物群以上几米，这一区域是位移区，风速很大。
污染物的浓度还是在源附近为最大，并且以源及其下风向一部分区域为中心，污染物浓度向周围递减，形成一个近似椭圆形的浓度场。同时可以发现，当z=15m时，x=30污染物的浓度比图2(b)及图1(b)又高出很多，这是因为该条件下截面位置比之前的两幅截面更靠近源的缘故。
2.2 南京扬子石化爆炸中污染物垂直方向上扩散的模拟分析
从图3(a)可以看出，在建筑物的迎风测停滞回流区及其附近，由于建筑物的阻挡作用，风速较小，并且在建筑物背风侧的空腔区内及其附近，风速也较小，在位于x=30处的建筑物的后部，可以看到的有涡旋生成，而其前面两栋建筑物由于高度较矮，则不是太明显。图3(b)中，在最高建筑物的附近有一个类似同心圆形状的浓度场，浓度最大的部分主要位于建筑物背风侧空腔区内中上部。从图3(b)中也可以看出，污染物的浓度在建筑物空腔区内与源高度相近处最大，然后朝向高空和地面递减。
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图3 y=108m时，xz截面的风场（a）和浓度场（b） 图4 z=2m时，t=10min、t=20min、t=30minxy平面的浓度场
2.3 南京扬子石化爆炸中污染物的扩散随时间的变化
通过观察图4中的三幅图可以发现，在这几幅图中浓度最大的区域都集中在建筑物背风侧的空腔区内，并且以空腔区为中心向周围递减。但是通过比较三幅图中的浓度数值可以看出，当6:10时，建筑物背风侧空腔区内的最大浓度为250mg/m3 ,而6:20时空腔区内浓度变为200mg/m3，6:30时则为150mg/m3，不仅如此，最大浓度周围的浓度也和最大浓度一样随着时间的变化而递减，由此总结出，当爆炸发生时，污染物首先向周围区域扩散，使周围区域内污染物的浓度瞬间增大，但是随着时间的推移，在风场的作用下，污染物会被气流带离，这就使得污染物的浓度在这些区域内又会逐渐变小，从而出现了图4b)的现象。
参考文献：
[1] 郭少为，吴文权.建筑物对空气污染物扩散影响的研究，华东工业大学学报， 1997; 19（ 1）
[2] 欧阳炎，姜维楣，胡非，等。城市小区环境流场及污染物扩散的风洞试验研究[J] .南京大学学报， 2003,11（ 39）：6770-780.
[3] 张宁，姜维楣. 建筑物对大气污染物扩散影响的大涡模拟[J]. 大气科学， 2006， 30:212-220.
作者简介：丁凡（1991-）女，汉，山东日照人，本科学历，助理工程师，从事天气预报模式检验工作