国消防部队推广应用，一年能节约开支5000万元左右。本文探讨了互联网上基于内容的图像搜索引擎技术，由于消防电子化道路水源手册是应用于公安消防广域网的一项研究，所以本文基于公安消防广域网。相对于互联网，在特种领域的广域网上基于内容的图像搜索速度更快，占用的时间更短。最近已用GP RS技术，在火灾现场用PDA登录消防指挥中心服务器，直接用掌上电脑可快速查到灭火救援现场所需的各种水源信息。见图6。
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New method for fire fighting electronic roadway and waterhead handbook design
by web-site image search engine
ZHU L i-ping,FE NG Guo-bing
(Jiangsu Province Fire Fighting Institution,Nanjin g210036,China)
Abstract:Th e present paper in tr od uces a search engin e s ystem structure and the database concerned on the design of the engine structure,w hich accounts for th e w ork ing principle match ing with the s earch-s ubs ystem.T he primary seman tic and image relation in our databas e is sh own by means of a simp le Excel table w hile the link s am ong th e hydrant m ark,th e accur ately address,th e popedom lochus,the w ater skill,time-and name-ch ecking device,as w ell as the s hap e,flux,pres sure and hydr ant image can be s earch ed in a semantic database as the original one.A s pider n etw ork au tomatism w ill be able to facilitate the us ers to s earch the w hole w eb station and the w eb page.W e have als o created a new pr ocedu ral method of doing the s earchin g activities.First in the curr ent s erver and then sear ching things in the greater server so as to find the com prehens ive correlated images or links in th e cu rrent s erver databas e.T hus,it can b e seen that mu ch greater precision can be gained by usin g th e present meth od.At the same time,it is pos
sible to save time for the searching proces s.Integratin g all the tes ting procedures,the meth od can help to increase the searching p recision to99.8%.A typical ex ample is th at it takes on ly 2.38seconds to s earch out a hydrant photograph in a very large area wh ile0.8s econd is to be taken to get a hydrant p hotogr aph in the local district.Furthermore,the paper w orks out the Fire Fighting Electronic Roadway an d Waterhead Handbook for W EB Image S earch ing Engine w ith th e above-pr esented meth od.
Key words:fire figh ting engineering;roadw ay and w aterhead handbook;sear ch eng ine;fuzzy iden tify;imag e
CLC number:T U988.1 Document code:A Article ID:1009-6094(2004)03-0023-05*收稿日期:2003-09-24
作者简介：刘国梁(1974—)，男，研究生，从事沙尘暴及重气扩散等研究；宣捷，副教授，从事风洞模拟实验和起尘研究。文章编号:1009-6094(2004)03-0027-06 重烟羽扩散的风洞模拟实验研究*
刘国梁，宣 捷，杜 可，赵汝敖
(北京大学环境学院，北京100871)
摘 要：介绍利用风洞研究重气烟羽扩散特征以及围墙和树对其影响。实验使用的源是地面上的圆形面源。通过实验，提出了基于“变形源”假设的重气烟羽扩散物理过程；发现围墙在低Fr ou de数下对重气烟羽有阻挡作用，而树对重气没有阻挡作用，但对“变形源”的形状有影响；从对危险气体的防护角度看，对测量范围的围墙外，围墙的防护效果明显，而围墙外加树与否影响不大。 关键词：安全工程；重气；风洞；变形源；围墙；树
中图分类号:X932 文献标识码:A
0 引 言
许多有毒、易燃的危险气体如、天然气等在工业部门被广泛使用。它们一般储存在巨大的高压钢罐内，在储运过程中一旦发生爆炸或泄露，就会造成人员伤亡和严重的环境灾难。这些气体多数泄露后会形成密度比空气大的多的气体或气溶胶，称为重气体。
重气体扩散基本属于几公里范围内的扩散现象。低风速的环境风洞对研究10km范围内复杂地形的大气流动扩散比其他方法(如现场实验、数值模拟)有较大的优越性，且担任着这方面研究的主要角[1]。本文将介绍利用环境风洞研究重气烟羽扩散的特征以及围墙和树对其影响。
1 实验设备和技术
风洞是直流吸式风洞，总长50m，实验段长32m，宽3m，高2m。由于风洞足够长，可以自然满足风洞模拟要求的雷诺数。
在模拟重气扩散的实验中，使用的风速相对较低。本次实验通过采用室内循环避免外部大气环境的影响。实验过程中，风速基本稳定，超声风速仪显示风洞运行风速的变化在2%以内。
实验所用的源见图1，示踪气体为SF6和C2H4的混合气体,C2H4体积分数为1.0%，流量为4.475L/m in，源直径8 cm，上缘与风洞底板平齐，内装20cm 短期融资券管理办法厚的细沙子。
图1 源
Fig.1 Source
第4卷第3期2004年6月
安全与环境学报
Jo ur nal o f Safety and Envir onment
V o l.4 N o.3
高校资产管理系统 Jun,2004
采用Beckma n-400碳氢分析仪测量体积分数(测C 2H 4)。由于样品中含有SF 6，测量的C 2H 4体积分数比真实值偏小。为了消除偏差，本文使用校准曲线(见图2)对测量的结果进行校准。该曲线是通过Beckma n-400碳氢分析仪测量一系列含示踪气体(体积分数已知)
的空气获得。
图2 校准曲线
Fig .2 Calibration curve
边界层的模拟首先是通过调风洞顶板来实现径向压力梯度为零，然后用尖塔、鱼鳞板和方砖来促进边界层的形成。实验使用了两种风速，用DISA 单丝热线测量的风速廓线和湍
流度廓线见图3。
对平均风速廓线有两种描述:1)对数线性关系:u /u *=1/(k ln[(z -d )/z 0)];2)幂次律关系:u /u 1=(z /z 1)p 。其中u *为摩擦速度,z 0为粗糙度,d 为零平面位移，卡曼(K arman )常数k =0.4,u 1为参考高度z 1上的平均风速,p 为风廓线指数。 近似求得模型粗糙度z 0=0.12cm;U 10=0.59m/s 时,u *=0.057m/s;U 10=1.69m/s 时u *=0.157m/s 。缩比为1∶100时p 近似为0.15[2]。
2 模拟参数
和其他流体力学物理模拟实验类似，满足一定的相似参数可以把小尺度的风洞模型结果对应到大尺度的大气现场原型。这些相似参数通常通过量纲分析获得。对重气烟羽，宣捷[1]指出，源条件模拟的主要参数为相对于空气的密度Fr oude 数Fr 和体积流量比V 。
单循环赛Fr =u 2r /(L g ′0)V =Q /(L 2u r )
式中 g 0′=g ( s - a )/ a , 为密度,g 为重力加速度，下标“a ”表示空气,“s ”表示源;u r 为参考高度上的风速,Q 为源强(体积流量),L 为特征长度。对于L ，本文按K o nig-La ng lo 和
Schatzman 的方法[3]
，取L =(Q 2/g 0′)。密度比( s - a )/ a 是次要参数。由于Fr oude 数的限制，为了提高风速，模型气体密
度可以大于原型气体密度。
图3 来流的平均风速廓线和湍流度廓线(U 10为参考高度10cm 处的风速)
金葡菌Fig .3 Mean wind profile and the turbulent prof ile
另外，同Zhu 等[4]一样，本文还使用了一个参数，即源理查逊数R i 0=g 0′Q /(D s u *3)，来区别平坦地形不同的重气扩散，其中D s 为源的直径(其他符号与前面提到的一致)。在R i 0小的情况下，重气体烟羽主要受周围的湍流控制，重气体的负浮力影响是可忽略的。随Ri 0增大重气体的负浮力效应变的重要，临界值取50。
实验中地形是理想地形(见图4)，通过几何相似可以对应到原型。树是疏透介质。由于贴近地面的气流只有一部分能透过，故其背风侧将有一个平均风速的减弱区：这个效应即风
障的屏蔽效应。疏透率是屏蔽效应唯一的主定参数[5]，实验中用的是体积疏透率，即疏透介质的体积与总体积的比。 虽然实验不是直接模拟大气现场原型，但模型用的源可以与液态氯泄露在地面形成的液池相对应，也可以与石油液化气泄露在地面形成的液池等对应。分析时采用的原型为液态形成的液池，但没考虑温度的影响，具体参数见表1。
3 结果分析
谱网3.1 重气扩散的烟羽分叉现象
V ol .4 N o .3
安全与环境学报第4卷第3期
图5为源中心下游16cm 处两个高度上的体积分数的横向分布(C 为样品重气体积分数,C 0为源排放重气的体积分数)，可以发现Ri 0=197时横向体积分数分布中间有个凹陷，这个现象就是烟羽分叉现象(plume bifur catio n )。在其他文献中也曾提到该现象[6,7]，但没有受到足够的重视，现有的数值模式也模拟不出。在Ri 0=9.4时横向体积分数分布类似高斯分布，没有烟羽分叉现象。另外,Ri 0=197时在距源较远的96cm 处也没观测到这个凹陷(见图6)
。
注：源位于围墙中心，围墙、树四边等长等高。“平坦地形”是把围墙和树都去掉
图4 地形照片Fig4 Pictures of
terrains
图5 下风向x =16cm 体积分数的横向分布Fig .5 Transverse concentration distributions at x =
16cm
图6 Ri 0=197时，下风向在x =96cm ,z =0.5cm 处体积分数的横
向分布
Fig .6 Transverse concentration distribution at x =96cm ,z =
0.5cm (Ri 0=197)
可以认为，由源排出的重气体，首先被流场卷挟走一部分，随流场被动扩散，剩余部分(如果有剩余)在流场、地形和自身的负浮力作用下变形，稳定时形成一个“变形源”，流场从“变形源”上卷挟重气。类比沙丘的形成过程，对平坦地形，剩余部分较多时形成的“变形源”应该是新月沙丘状(见图7)。
表1 实验模拟的参数Table 1 Simulation characters
模型
S F 6+C 2H 4(1.0%)
原型(1∶100)Cl 2参考高度风速U 10/(m ・s -1)0.59 1.69
3.55 10.2
源直径D s /cm 8800平均相对分子质量M 144.871Q /(L ・min -1) 4.475 2.695×105
特征长度L /cm 10.71070Fr ou de 数Fr 0.83 6.820.83 6.82体积流量比V 1.1 0.39 1.1 0.39源理查逊数R i 0197 9.4197 9.4围墙(边长×高)/cm 52×35200×300树带(边长×高)/cm 60×86000×800树疏透率(体积)
1.5%
1.5
%
图7 典型的新月状沙丘[8]Fig .7 Typical barchan dune
实验[9]发现，流场对重气的卷挟量正比于u 3s /g ′
0(u s 是在
重气上面的风速,g ′0同前面提到的一样)。源理查逊数(Ri 0)就可以理解为，圆形的面源上单位时间源排放出的重气体和单位时间流场卷挟量的比。因此“变形源”的特征与源理查逊数(Ri 0)有关。Ri 0较大时“变形源”较大，两个角也突出；而Ri 0较小时“变形源”较小甚至不存在。
对横向体积分数分布,R i 0=197时，沿新月状“变形源”两个角的扩散导致近源处横向体积分数分布的凹陷，在距源较远时，中间的凹陷不明显;Ri 0=9.4时，流场的卷挟能力较强，可以近似认为没有形成“变形源”，也就观测不到烟羽分叉现象，此时的扩散接近面源的高斯扩散。
后续扩散是被动扩散。这也可以从平坦地形下测量的湍流功率谱得到支持(见图8)，可以发现，重气存在与否对湍流功率谱的谱型无明显影响。至于测量到的平均速度和脉动速
度的变化，是流场吸收了基本上为静止的烟气所致。3.2 重气随流场被动扩散的特点
扩散于空气中的重气会改变空气的密度分层，使大气层结构稳定。图9为大气局地稳定性的局地理查逊数(R i )随下
2004年6月刘国梁，等：重烟羽扩散的风洞模拟实验研究
Jun ,2004
游距离的变化。可以看出这种稳定性随下游的距离减小，并且Ri 0=197的情形比Ri 0=9.4的情形稳定。理查逊数(Ri )由如下公式表示。
Ri =
-1 z ( u - z
)2=k 2u 2*
ln(1+3.993C /C 0)
(1/z )式中 k =0.4;u *近似认为是常数，用来流的摩擦速度乘以图8中重气存在与不存在的速度比来代替。对R i 0=9.4,u *=0.157×1.40/1.56m /s；对Ri 0=197,u *=0.057×0.42/0.5m /s 。密度利用下游轴线不同距离上1cm ,2cm 和3cm
高度上的重气体积分数计算。
图8 湍流功率谱
Fig .8 Power spectral of
turbulence
图9 理查逊数Ri 随下游距离的变化
Fig .9 Variation of Richardson number with downwind distance under different R i
A —极不稳定;
B —不稳定;
C —略不稳定;
D —中性;D-
E —中性偏稳定;E —稳定;
F —极稳定
图10 体积分数分布的标准差和高斯扩散参数的比较(在原型下比较)Fig .10 Comparing s tandard deviation with that of G auss Diffusion (for prototype )
V ol .4 N o .3
安全与环境学报第4卷第3期
图11 轴线体积分数随下风距离的变化Fig .11 Axis concentration with downwind
distance
图12 下游x =61m 处，体积分数的垂直分布(A 、B )和下游x =96m 处地面浓度的横向分布(C 、D )(在原型下比较)
Fig .12 Vertical concentration distribution (A ,B )at x =61m and the transverse concentration distributions (C ,D )at x =96m (for
prototype )
图10为重气体积分数分布标准差和高斯扩散参数的比较。垂直体积分数分布的标准差接近高斯扩散参数的偏稳定情形。本文认为主要是由于重气扩散在空气中改变了大气稳定性的缘故。横向体积分数分布的标准差受实际的面源(变形源)影响较大。从扩散物理过程看，横向体积分数分布标准差也受大气稳定性的影响，但我们的测量没能看出这种影响。这是因为本文不能确定实际面源的大小以及其对扩散标准差造爱宝贝亲子论坛
成的影响。不过距源越远，源对横向体积分数分布标准差的影
响会越小，从趋势看是向中性条件下的高斯扩散参数接近。3.3 围墙和树对重气烟羽扩散的影响
图11是4种地形下地面轴线浓度随下风距离的变化。由图可以直观地看出，下游一定距离后近似有的C /C 0∝x q 形式。
从围墙外的地面轴线浓度看，围墙对其改变的效果很明
2004年6月刘国梁，等：重烟羽扩散的风洞模拟实验研究
Jun ,2004
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