基于粒子系统的爆破烟尘运动的模拟研究

D01:10.13374.isml001053x.2007.s2.77 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 SuppL 2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 基于粒子系统的爆破烟尘运动的模拟研究 蒋仲安万善福孙佳 北京科技大学土木与环境工程学院.北京100083 摘要在对爆破烟尘源及其特征分析的基础上，通过质量通量、动量通量、浮力通量分析.加之闭合假设.建立了描述爆破 烟尘运动的数学模型，基于粒子系统对爆破烟尘的冲击运动、著菇云运动和扩散运动的烟尘云形状进行模拟研究，编制出 BSMS模拟软件，实现了对爆破烟尘运动实时模拟. 关键词粒子系统：爆破烟尘：烟尘运动：烟尘扩散：实时模拟 分类号TD804 大爆破产生的尘毒是露天矿山开采过程中的主 步考虑了环境中粒子间的相互作用力.其实，粒子 要大气污染源烟尘长时间停留在大气中，将严重污 系统中粒子及其粒子间的作用力对于模拟粒子的行 染矿内空气，作业人员在此环境中工作既影响身体 为是很重要的 健康，又降低了作业效率.此外，烟尘随风流作长距 粒子系统中的每个粒子构成了整个粒子系统 离的迁移疏散亦会影响矿区周围的大气环境和居 每个粒子有其自身的特征，所有粒子的属性特征构 民的身体健康.因此，有效预测爆破烟尘的污染范 成了整个粒子系统的特征，爆破烟尘粒子系统的组 围、污染程度实现对爆破烟尘的复杂行为的实时模 成主要有： 拟，对于环境保护、职业健康、提高劳动生产率等均 (1)属性特征.包括烟尘粒子的形状（爆破烟 具有重大意义， 尘粒子的形状为近球形)、颜色（粒子的RGB浓度 1爆破烟尘源的特征及粒子系统 值)、透明度、体积、密度（根据矿岩的情况不同而改 变)、质量 11爆破烟尘源的特征 (2)行为特征.包括初始位置（粒子在3D空间 爆破污染物主要是有毒有害气体、粉尘和放射 中的初始位置及每一时刻的x、y、z坐标位置值)、 性气溶胶.爆生气体主要是爆炸反应的生成物，包 运动（速度、角速度、加速度等）、生命周期（粒子在评 括爆炸反应生成的气体和微小液滴及未反应炸药颗 价尺度范围内的产生与消亡). 粒构成的气溶胶：爆破粉尘主要是炮孔填塞的碎石 (3)环境参量.包括大爆破时的环境温度、湿 屑、爆破前沉积在地表的大量粉尘及矿岩在爆轰波 度、当地风速等 作用下破碎的粉尘：空气是爆破烟尘云的另一组 大爆破产生的粉尘量和分散度主要取决于岩石 成刂.炸药爆炸后的主要烟气产物为H20、C02,以 的类型、硬度、含水程度、炸药单耗、所用的炸药种 及少量的NO,C0,主要的爆破粉尘产物为极少量 类、爆破方法、炮孔填塞、矿岩硬度和矿岩的含水量 的固态析出物碳等，粉尘仅占1.0%以下，并且是从 等.影响爆破烟尘污染矿内空气的主要因素有气 不同途径由外部相继涌入其中，爆破排出的烟源比 象条件（如温度、湿度、风速等）和采场周围的地形条 较复杂. 件.每爆1m3矿岩将产生0027~017kg粉尘. 12粒子系统 由于露采规模不断扩大，爆破尘毒排放量约占露天 Reeves[1983最初提出了基于随机过程的粒子 矿有害排放物的25%~30%，爆破破碎含铁石英岩 系统的概念，他最初假设粒子系统里的粒子间没有 时排入大气中的尘粒98%~99%为极细的石英颗 相互作用力.Sims[1990,在Reeves的基础上，进一 粒及碎屑4. 收稿日期：2007-09-30 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N0.50174004):高等学校 2爆破烟尘运动规律数学模型的建立 博士学科点专项科研基金(Na20060008001):北京市教育委员会共 建项目建设计划资助项目(NaXK100080432) 现场观测和前人研究成果表明，爆破烟尘在开 作者简介：蒋仲安(1963一)，男，教授，博士 放的大气空间中的运动过程分为冲击运动、蘑菇云

基于粒子系统的爆破烟尘运动的模拟研究 蒋仲安 万善福 孙 佳 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 摘 要 在对爆破烟尘源及其特征分析的基础上, 通过质量通量、动量通量、浮力通量分析, 加之闭合假设, 建立了描述爆破 烟尘运动的数学模型, 基于粒子系统对爆破烟尘的冲击运动、蘑菇云运动和扩散运动的烟尘云形状进行模拟研究, 编制出 BSMS 模拟软件, 实现了对爆破烟尘运动实时模拟. 关键词 粒子系统;爆破烟尘;烟尘运动;烟尘扩散;实时模拟 分类号 TD804 收稿日期:2007-09-30 基金项目:国家自然科学基金资助项目( No .50174004 ) ;高等学校 博士学科点专项科研基金( No.20060008001) ;北京市教育委员会共 建项目建设计划资助项目( No.XK100080432) 作者简介:蒋仲安( 1963—) , 男, 教授, 博士 大爆破产生的尘毒是露天矿山开采过程中的主 要大气污染源, 烟尘长时间停留在大气中, 将严重污 染矿内空气, 作业人员在此环境中工作既影响身体 健康, 又降低了作业效率 .此外, 烟尘随风流作长距 离的迁移疏散, 亦会影响矿区周围的大气环境和居 民的身体健康.因此, 有效预测爆破烟尘的污染范 围、污染程度, 实现对爆破烟尘的复杂行为的实时模 拟, 对于环境保护、职业健康、提高劳动生产率等均 具有重大意义. 1 爆破烟尘源的特征及粒子系统 1.1 爆破烟尘源的特征 爆破污染物主要是有毒有害气体 、粉尘和放射 性气溶胶.爆生气体主要是爆炸反应的生成物, 包 括爆炸反应生成的气体和微小液滴及未反应炸药颗 粒构成的气溶胶 ;爆破粉尘主要是炮孔填塞的碎石 屑、爆破前沉积在地表的大量粉尘及矿岩在爆轰波 作用下破碎的粉尘 ;空气是爆破烟尘云的另一组 成[ 1] .炸药爆炸后的主要烟气产物为 H2O 、CO2, 以 及少量的 NO x 、CO, 主要的爆破粉尘产物为极少量 的固态析出物碳等, 粉尘仅占 1.0 %以下, 并且是从 不同途径由外部相继涌入其中, 爆破排出的烟源比 较复杂. 1.2 粒子系统 Reeves[ 1983] 最初提出了基于随机过程的粒子 系统的概念, 他最初假设粒子系统里的粒子间没有 相互作用力 .Sims[ 1990] 在 Reeves 的基础上, 进一 步考虑了环境中粒子间的相互作用力 .其实, 粒子 系统中粒子及其粒子间的作用力对于模拟粒子的行 为是很重要的. 粒子系统中的每个粒子构成了整个粒子系统, 每个粒子有其自身的特征, 所有粒子的属性特征构 成了整个粒子系统的特征, 爆破烟尘粒子系统的组 成主要有: ( 1) 属性特征.包括烟尘粒子的形状( 爆破烟 尘粒子的形状为近球形) 、颜色( 粒子的 RGB 浓度 值) 、透明度、体积、密度( 根据矿岩的情况不同而改 变) 、质量. ( 2) 行为特征.包括初始位置( 粒子在 3D 空间 中的初始位置及每一时刻的 x 、y 、z 坐标位置值) 、 运动(速度、角速度 、加速度等) 、生命周期(粒子在评 价尺度范围内的产生与消亡) . ( 3) 环境参量 .包括大爆破时的环境温度 、湿 度 、当地风速等. 大爆破产生的粉尘量和分散度主要取决于岩石 的类型 、硬度、含水程度、炸药单耗 、所用的炸药种 类 、爆破方法、炮孔填塞 、矿岩硬度和矿岩的含水量 等[ 2] .影响爆破烟尘污染矿内空气的主要因素有气 象条件(如温度、湿度、风速等)和采场周围的地形条 件 .每爆 1 m 3 矿岩将产生 0.027 ～ 0.17 kg 粉尘[ 3] . 由于露采规模不断扩大, 爆破尘毒排放量约占露天 矿有害排放物的 25 %～ 30 %, 爆破破碎含铁石英岩 时排入大气中的尘粒 98 %～ 99 %为极细的石英颗 粒及碎屑 [ 4] . 2 爆破烟尘运动规律数学模型的建立 现场观测和前人研究成果表明, 爆破烟尘在开 放的大气空间中的运动过程分为冲击运动 、蘑菇云 第 29 卷 增刊 2 2007 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 Suppl.2 Dec.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.s2.077

。26。 北京科技大学学报 2007年增刊2 形成和扩散运动三个阶段到.在冲击运动阶段，烟 小，如果大气的温度层结不是很稳定，它对烟羽抬升 尘颗粒物和气态物没有分离，它们以颗粒或颗粒团 轨迹的影响很小.这时，其抬升路径主要受自身湍 的形式在空气中靠惯性运动，因此爆破烟尘气态物 流影响，决定于烟羽的浮力通量、动量通量及环境风 运动方程式与颗粒物运动方程式相同.在蘑菇云运 速等.这段时间大约为几秒至几十秒，在这段时间 动阶段，与颗粒物分离的气态物开始向周围扩散气 内，烟羽上升路径呈曲线形式其路径可以由质量守 态物和颗粒物分离时，具有一定的速度，受到空气浮 恒、浮力守恒和动量守恒方程推导出来.同时，当环 力作用，在短时间内气态物运动速度仍较高，扩散运 境平均风速远小于烟羽的平均垂直速度时，可以当 动相对其惯性运动来说仍居次要地位，烟尘云团有 作静风条件来处理.爆破烟尘的冲击与蘑菇云阶段 明显的形状，此时可以认为气态物以不变的速度向 属纯动量烟羽，P=P因此浮力通量Fb=0,动量 周围扩散.在扩散运动阶段，烟尘气态物向周围扩 通量Fm=r2w2.由式(2)、(3)和(4)得烟尘抬升高 散，在水平方向随着风流迁移：在垂直方向上，受到 度为： 空气浮力作用，即随着风流迁移，云团中心与空气间 2=354点，是 (5) 也有相对位移.因此在冲击运动阶段和蘑菇云运 2.2爆破烟尘颗粒水平方向运动数学模型的建立 动阶段，气态物运动方程有与颗粒物运动方程相同 爆破烟尘由烟尘气态物和颗粒物组成气态物 的形式：扩散运动阶段，气态物运动数学模型包括扩 和颗粒物运动轨迹的叠加，形成了爆破烟尘云团的 散方程和云团浮力运动数学模型. 运动轨迹和云团形状.爆破烟尘气态物为多组分的 21爆破烟尘颗粒抬升运动数学模型的建立 气体混合物及行为特性与气体相同的微小气溶胶， (1)爆破烟尘的特征量 爆破烟尘颗粒物是形状和性状不同的有限个颗粒的 根据质量守恒方程、动量守恒方程和浮力守恒 集合.烟尘颗粒在流场中的Lagrangian运动方程可 方程可得出爆破烟尘的三个特征量1，即浮力通 由牛顿第二定律得出 量、动量通量和体积通量.其中： 烟羽的浮力通量为 dve=F my dt (6) 1) 式(6)中mp为颗粒的质量，kg:为颗粒运动的速 度，m/s:F为颗粒所受的合外力，N;t为颗粒运动 烟羽的垂直动量通量为 的时间，s. wd V.m/s (2) 颗粒所受的外力有重力F、浮力Fa、气流曳引 阻力Fr压力梯度力Fp虚拟质量力Fvm Basst力 烟羽的体积通量为 F、M agnus力FL、旋转升力F、Saffman升力F、 V= e dv.m'/s (3) Pa 热致迁移力F和各种泳力F的合力等了.根据爆 在式(1)、(2)和(3)中，g为重力加速度，m/s2; 破烟尘颗粒物运动特点，分析单一颗粒在运动过程 p'为烟羽初始密度与环境空气密度之差kg/m';Pa 中所受的各种力，可得爆破烟尘粒子可只考虑阻力 及粒子重力的作用，而忽略其它作用力，最终给出爆 为环境空气的密度，kgm3;dV为烟羽的微元体积 破烟尘单一颗粒运动方程式为： 通量，m3;p为烟气的密度，kgm3. (2)闭合假设 e Me dt 由于爆生烟尘云团的守恒方程组中未知量的数 目比守恒方程的数目多，因此，为了使方程组有解， gk:Cnw明(KW-石dnkg 必须给出附加假定，即闭合假定，闭合假定中的主 (7) 要参量就是烟羽对环境空气的卷入，为此假定烟羽 式(7)中V为烟尘气态物运动速度，m/sk,为动力 半径与抬升高度成正比可，即 形状系数，等于等效粒径与沉降粒径之比的平方： r=aZ (4) C为颗粒物在非稳定湍流介质中运动时的阻力系 式中r为烟羽的半径，m;α为比例常数，对浮力烟 数：p为烟尘气态物密度，kg/m3;°p为烟尘颗粒物 羽，可取0.16：z为烟尘抬升高度，m. 密度，kgm;dp为球形颗粒等效直径，m;kg为爆破 (3)爆破烟尘冲击抬升轨迹模型 烟尘颗粒物非球形体积密度重力修正系数，为实验 在爆破源附近，烟羽的抬升受环境湍流影响较 常数：g为重力加速度，m/s2

形成和扩散运动三个阶段 [ 3] .在冲击运动阶段, 烟 尘颗粒物和气态物没有分离, 它们以颗粒或颗粒团 的形式, 在空气中靠惯性运动, 因此爆破烟尘气态物 运动方程式与颗粒物运动方程式相同 .在蘑菇云运 动阶段, 与颗粒物分离的气态物开始向周围扩散, 气 态物和颗粒物分离时, 具有一定的速度, 受到空气浮 力作用, 在短时间内气态物运动速度仍较高, 扩散运 动相对其惯性运动来说仍居次要地位, 烟尘云团有 明显的形状, 此时可以认为气态物以不变的速度向 周围扩散.在扩散运动阶段, 烟尘气态物向周围扩 散, 在水平方向随着风流迁移 ;在垂直方向上, 受到 空气浮力作用, 即随着风流迁移, 云团中心与空气间 也有相对位移.因此, 在冲击运动阶段和蘑菇云运 动阶段, 气态物运动方程有与颗粒物运动方程相同 的形式;扩散运动阶段, 气态物运动数学模型包括扩 散方程和云团浮力运动数学模型. 2.1 爆破烟尘颗粒抬升运动数学模型的建立 ( 1) 爆破烟尘的特征量 根据质量守恒方程、动量守恒方程和浮力守恒 方程, 可得出爆破烟尘的三个特征量 [ 5] , 即浮力通 量、动量通量和体积通量 .其中: 烟羽的浮力通量为 F b = 1 π g ρ′ ρa d V , m 4 / s 3 ( 1) 烟羽的垂直动量通量为 F m = 1 π ρ ρa ωd V , m 4 / s 3 ( 2) 烟羽的体积通量为 Vυ= ρ ρa d V , m 3 /s ( 3) 在式( 1) 、( 2)和( 3) 中, g 为重力加速度, m/ s 2 ; ρ′为烟羽初始密度与环境空气密度之差, kg/m 3 ;ρa 为环境空气的密度, kg/m 3 ;d V 为烟羽的微元体积 通量, m 3 ;ρ为烟气的密度, kg/m 3 . ( 2) 闭合假设 由于爆生烟尘云团的守恒方程组中未知量的数 目比守恒方程的数目多, 因此, 为了使方程组有解, 必须给出附加假定, 即闭合假定 .闭合假定中的主 要参量就是烟羽对环境空气的卷入, 为此, 假定烟羽 半径与抬升高度成正比[ 6] , 即 r =αz ( 4) 式中 r 为烟羽的半径, m ;α为比例常数, 对浮力烟 羽, 可取 0.16 ;z 为烟尘抬升高度, m . ( 3) 爆破烟尘冲击抬升轨迹模型 在爆破源附近, 烟羽的抬升受环境湍流影响较 小, 如果大气的温度层结不是很稳定, 它对烟羽抬升 轨迹的影响很小 .这时, 其抬升路径主要受自身湍 流影响, 决定于烟羽的浮力通量 、动量通量及环境风 速等 .这段时间大约为几秒至几十秒, 在这段时间 内, 烟羽上升路径呈曲线形式, 其路径可以由质量守 恒 、浮力守恒和动量守恒方程推导出来 .同时, 当环 境平均风速远小于烟羽的平均垂直速度时, 可以当 作静风条件来处理 .爆破烟尘的冲击与蘑菇云阶段 属纯动量烟羽, ρ=ρa, 因此, 浮力通量 F b =0, 动量 通量 F m =r 2 ω2 .由式( 2) 、( 3) 和( 4) 得烟尘抬升高 度为: z =3.54F 1 4 m t 1 2 ( 5) 2.2 爆破烟尘颗粒水平方向运动数学模型的建立 爆破烟尘由烟尘气态物和颗粒物组成, 气态物 和颗粒物运动轨迹的叠加, 形成了爆破烟尘云团的 运动轨迹和云团形状.爆破烟尘气态物为多组分的 气体混合物及行为特性与气体相同的微小气溶胶, 爆破烟尘颗粒物是形状和性状不同的有限个颗粒的 集合.烟尘颗粒在流场中的 Lagrangian 运动方程可 由牛顿第二定律得出 mp d Vp dt =΢F ( 6) 式( 6)中 mp 为颗粒的质量, kg ;Vp 为颗粒运动的速 度,m/ s ;F 为颗粒所受的合外力, N ;t 为颗粒运动 的时间, s . 颗粒所受的外力有重力 Fg 、浮力 Fa 、气流曳引 阻力 Fr 、压力梯度力 Fp 、虚拟质量力 Fvm 、Basst 力 Fb 、M agnus 力 FL 、旋转升力 F1 、Saffman 升力 Fs 、 热致迁移力 Ft 和各种泳力 Fh 的合力等[ 7] .根据爆 破烟尘颗粒物运动特点, 分析单一颗粒在运动过程 中所受的各种力, 可得爆破烟尘粒子可只考虑阻力 及粒子重力的作用, 而忽略其它作用力, 最终给出爆 破烟尘单一颗粒运动方程式为: Mp d Vp dt = 1 8 πk rCDρd 2 p V -Vp ( V -Vp) - 1 6 πd 3 P ρP k gg ( 7) 式( 7)中 V 为烟尘气态物运动速度, m/ s;k r 为动力 形状系数, 等于等效粒径与沉降粒径之比的平方; CD 为颗粒物在非稳定湍流介质中运动时的阻力系 数 ;ρ为烟尘气态物密度, kg/m 3 ;ρp 为烟尘颗粒物 密度, kg/m 3 ;d p 为球形颗粒等效直径, m ;k g 为爆破 烟尘颗粒物非球形体积密度重力修正系数, 为实验 常数;g 为重力加速度, m/ s 2 . · 26 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2007 年 增刊 2

Vol.29 Suppl 2 蒋仲安等：基于粒子系统的爆破烟尘运动的模拟研究 ·27。 式(7)是单一颗粒运动的矢量方程式.在爆破烟 种可控预测与模拟，因为它有坚实的数理基础、省钱 尘的冲击阶段和蘑菇云运动阶段，颗粒物运动特点 和劳动力，可填补场外测试的数据库，并可作定量的 不同，根据各阶段的特点可建立相应的爆破烟尘颗 预报与评价，在现代计算机技术高速发展的今天，这 粒运动数学模型.使用四阶Range-一Kute迭代算法， 种方法越来越显示出其优越性 将式(5)和(7)联合求解，以实现爆破烟尘冲击和蘑 近年来，各种扣人心弦的三维游戏、能数字化地 菇云阶段的数值模拟， 显示天气变化的气象服务、震撼人心的3D数字化 23爆破烟尘在大气中的扩散 特殊效果，无不使我们体验到三维世界的全新感觉. 爆破烟尘颗粒物经过冲击运动阶段、蘑菇云运 可视化、计算机动画、虚拟现实是当今图形学领域的 动阶段，进入扩散运动阶段.在扩散运动阶段，颗粒 三大热门话题，它们的技术核心都是三维图形y. 物都达到匀速沉降状态，随着风流迁移.爆破烟尘 根据爆破烟尘三个阶段运动的特点，运用气固 完成冲击运动阶段和蘑菇云运动阶段的时间一般为 两相流和烟尘的扩散理论，分别建立固体颗粒、有害 2~3s时间是很短的，可以认为爆破烟尘颗粒物在 有毒气体的运动和扩散方程的数学模型，用Java3D 瞬间排放到大气中，进入扩散运动阶段之前的烟尘 编程方法编制了相应的计算机程序BSMS(Blasting 污染范围相对其扩散后的污染范围是很小的，最终 Soot Movement Simulation).运行该软件后，需先对 决定烟尘波及范围主要是扩散阶段的贡献刭.因 炸药的种类、填埋方式、岩石类型等进行选择，然后 此，忽略进入扩散运动之前的烟尘污染云团体积爆 录入其它基本数据（包括炸药用量，矿岩密度、温度、 破烟尘颗粒物的扩散可作为瞬间点源扩散.在坐标 湿度、风速等)，录完上述数据后开始爆破模拟便可 原点随着风流移动的坐标系中，瞬间点源扩散污染 查看实时模拟结果，如爆破后某时间点上爆场空间 物浓度方程式由式(8)给出，其中下标p表示为烟尘 任意点的烟尘浓度等.通过计算可得出爆破烟尘污 颗粒物的参数 染范围、安全通风时间等.爆破模拟结果不仅可以 Cp(x,y,z,t)= 20p 「(2x)Y2(ox5c) 通过三维图形方式查看，还可以从不同视觉观察结 「-x-+g+2-y山 果（俯视图、轴向图、三维立体图、二维轮廓图等），并 62 且能以动态的形式显示爆破烟尘运动的全过程，爆 破烟尘实时模拟程序BSMS的典型运行结果如图 8) 1、图2所示.通过模拟可以看出，在某段时间内，爆 式中ox、G、为各方向上的扩散系数(m),受具体 条件下的大气稳定度影响：Q一爆破烟尘排放强 云形状由柱状逐渐向锥状发展，开始时爆云的下半 度，kg/s;Vx、:一水平方向和垂直方向的风速 部呈圆锥体，上半部呈大斜率的旋转抛物体；随着时 m/s;'s一烟尘颗的最终沉降速度，m/s. 间的增加，爆云上半部分逐渐变成椭圆体，使爆云形 状呈倒立的圆锥状；爆破烟尘扩散阶段的瞬时烟尘 3 实时模拟 形状如图3所示. 数值模拟方法是将实际问题放到计算机内作各 爆破烟尘云运动模拟分析系统-BSMS 环境条件：风速=10m/s炸药类型=1#粉状铵梯炸药量-240kg/孔T=12℃ 炮孔半径-0.04m颗粒物密度=3000kg/m3 瞬时参量：1=0.8s 坐标缩放：1000 水平最大污染半径：3.4433垂直最大污染半径：13.1844（单位m) 20000 18000 16000 窑 00 -16000-12000-8000-4000 0 400080001200016000 F2000 水平污染半径/mm 图1爆破冲击阶设8s时的瞬时烟尘形状

式( 7)是单一颗粒运动的矢量方程式, 在爆破烟 尘的冲击阶段和蘑菇云运动阶段, 颗粒物运动特点 不同, 根据各阶段的特点可建立相应的爆破烟尘颗 粒运动数学模型 .使用四阶 Range-Kute 迭代算法, 将式( 5)和( 7) 联合求解, 以实现爆破烟尘冲击和蘑 菇云阶段的数值模拟 . 2.3 爆破烟尘在大气中的扩散 爆破烟尘颗粒物经过冲击运动阶段 、蘑菇云运 动阶段, 进入扩散运动阶段 .在扩散运动阶段, 颗粒 物都达到匀速沉降状态, 随着风流迁移.爆破烟尘 完成冲击运动阶段和蘑菇云运动阶段的时间一般为 2 ～ 3 s, 时间是很短的, 可以认为爆破烟尘颗粒物在 瞬间排放到大气中, 进入扩散运动阶段之前的烟尘 污染范围相对其扩散后的污染范围是很小的, 最终 决定烟尘波及范围主要是扩散阶段的贡献 [ 8] .因 此, 忽略进入扩散运动之前的烟尘污染云团体积, 爆 破烟尘颗粒物的扩散可作为瞬间点源扩散.在坐标 原点随着风流移动的坐标系中, 瞬间点源扩散污染 物浓度方程式由式( 8)给出, 其中下标 p 表示为烟尘 颗粒物的参数. CP( x , y , z, t ) = 2 QP ( 2π) 3/ 2 ( σxσyσz) · exp -1 2 ( x -Vx t) 2 σ 2 x +y 2 σ 2 y + ( z -Vzt -V pst) 2 σ 2 z ( 8) 图 1 爆破冲击阶段 0.8 s时的瞬时烟尘形状 式中 σx 、σy 、σz 为各方向上的扩散系数( m), 受具体 条件下的大气稳定度影响;Qp —爆破烟尘排放强 度, kg/ s ;Vx 、 Vz —水平方向和垂 直方向的风速 m/ s ;V ps —烟尘颗的最终沉降速度, m/ s . 3 实时模拟 数值模拟方法是将实际问题放到计算机内作各 种可控预测与模拟, 因为它有坚实的数理基础、省钱 和劳动力, 可填补场外测试的数据库, 并可作定量的 预报与评价, 在现代计算机技术高速发展的今天, 这 种方法越来越显示出其优越性. 近年来, 各种扣人心弦的三维游戏、能数字化地 显示天气变化的气象服务、震撼人心的 3D 数字化 特殊效果, 无不使我们体验到三维世界的全新感觉. 可视化 、计算机动画、虚拟现实是当今图形学领域的 三大热门话题, 它们的技术核心都是三维图形[ 9] . 根据爆破烟尘三个阶段运动的特点, 运用气固 两相流和烟尘的扩散理论, 分别建立固体颗粒、有害 有毒气体的运动和扩散方程的数学模型, 用 Java3D 编程方法编制了相应的计算机程序 BSM S( Blasting Soo t Movement Simulation) .运行该软件后, 需先对 炸药的种类 、填埋方式、岩石类型等进行选择, 然后 录入其它基本数据(包括炸药用量、矿岩密度、温度、 湿度、风速等), 录完上述数据后开始爆破模拟, 便可 查看实时模拟结果, 如爆破后某时间点上爆场空间 任意点的烟尘浓度等.通过计算可得出爆破烟尘污 染范围、安全通风时间等.爆破模拟结果不仅可以 通过三维图形方式查看, 还可以从不同视觉观察结 果(俯视图、轴向图 、三维立体图 、二维轮廓图等), 并 且能以动态的形式显示爆破烟尘运动的全过程, 爆 破烟尘实时模拟程序 BSM S 的典型运行结果如图 1 、图 2 所示 .通过模拟可以看出, 在某段时间内, 爆 云形状由柱状逐渐向锥状发展, 开始时爆云的下半 部呈圆锥体, 上半部呈大斜率的旋转抛物体;随着时 间的增加, 爆云上半部分逐渐变成椭圆体, 使爆云形 状呈倒立的圆锥状;爆破烟尘扩散阶段的瞬时烟尘 形状如图 3 所示. Vol.29 Suppl.2 蒋仲安等:基于粒子系统的爆破烟尘运动的模拟研究 · 27 ·

。28 北京科技大学学报 2007年增刊2 爆破烟尘云运动模似分析系统-BSMS 环境条件：风速=10m/s炸药类型=1“粉状铵梯炸药量-240kg孔T12℃ 炮孔半径=0.04m颗粒物密度=3000kg/m3 瞬时参量：t=1.5s 坐标缩放：1000 水平最大污染半径：5.0078垂直最大污染半径：13.7756（单位：m) 720000 18000 16000 ww/ -18000-14000-10000-6000-20002000 6000 100001400018000 2000 水平污染半径mm 图2爆破蘑菇云阶段1.5s时的瞬时烟尘形状 爆破烟尘云运动模拟分析系统-BSMS 环境条件：风速=10m/s炸药类型=1“粉状铵梯炸药量=240kg孔T=12℃ 炮孔半径-0.04m颗粒物密度3000kg/m3 瞬时参量t=40s混合气体浓度=0,3mg/m'(30.50,2.1) 颗粒物浓度=12.78mg/m'(30.5,0.2.1) 安全通风时间24.5min 100 10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 水平距离m 图3爆破扩散阶段400s时的瞬时烟尘形状 与防尘1994.4：14 4 结论 【习周椒良，子彦。露天矿爆堆中有害气体的排除。世界采矿快 报.1993.20：14 针对爆破烟尘运动的特点，运用流体力学、气固 【列张兴凯.爆破烟尘行为理论及测试博士后报·北京：北京 两相流动理论，建立了露天采矿爆破烟尘粒子运动 科技大学，1995 轨迹的数学模型；基于数值计算方法中的Range-一 【④谢风琴，张可能.地下炸药爆炸产生气体的分布和特性.世界 Kute数值差分和VC十十的计算机仿真模拟方法， 采矿快报，1989.24：7 用Java3D编程方法编制了相应的计算机程序 【习孙佳。露天采矿爆破烟尘行为模拟及其环境效应评价系统的 BSMS.运行该软件后得出了冲击阶段、蘑菇云阶 研究学位论刘.北京：北京科技大学.2006 段、扩散阶段爆破烟尘云的形状，实现了对爆破烟尘 [6 余常昭。环境流体力学导论.北京：清华大学出版社，1992 【7岑可法，樊建人.工程气固多相流动的理论及计算.浙江：浙江 运动实时模拟，并与现场实测数据相比较后认为该 大学出版社，1990 种方法模拟爆破烟尘运动是可行的，且比较接近实 [8 Ghose M K.Maje S R.Air pollution caused by opencast mining 际情况. and its abatement measures in India.J Environ Manag 2001. 63:193 参考文献 [9 Chen JX.Fu X D.Wegman E J.Reah time simulation of dust [刂周泽云，倪守帮.环境中颗粒物的基本概念和标准.工业安全 behavior generated by a fast traveling vehicle.ACM Trans Model

图 2 爆破蘑菇云阶段 1.5 s时的瞬时烟尘形状 图 3 爆破扩散阶段 40.0 s时的瞬时烟尘形状 4 结论 针对爆破烟尘运动的特点, 运用流体力学 、气固 两相流动理论, 建立了露天采矿爆破烟尘粒子运动 轨迹的数学模型;基于数值计算方法中的 Range￾Kute 数值差分和 VC ++的计算机仿真模拟方法, 用 Java3D 编程方法 编制了相应 的计算机程 序 BSM S .运行该软件后得出了冲击阶段 、蘑菇云阶 段、扩散阶段爆破烟尘云的形状, 实现了对爆破烟尘 运动实时模拟, 并与现场实测数据相比较后认为该 种方法模拟爆破烟尘运动是可行的, 且比较接近实 际情况. 参 考 文 献 [ 1] 周泽云, 倪守帮.环境中颗粒物的基本概念和标准.工业安全 与防尘, 1994, 4:14 [ 2] 周叔良, 子彦.露天矿爆堆中有害气体的排除.世界采矿快 报, 1993, 20:14 [ 3] 张兴凯.爆破烟尘行为理论及测试[ 博士后报告] .北京:北京 科技大学, 1995 [ 4] 谢凤琴, 张可能.地下炸药爆炸产生气体的分布和特性.世界 采矿快报, 1989, 24:7 [ 5] 孙佳.露天采矿爆破烟尘行为模拟及其环境效应评价系统的 研究[ 学位论文] .北京:北京科技大学, 2006 [ 6] 余常昭.环境流体力学导论.北京:清华大学出版社, 1992 [ 7] 岑可法, 樊建人.工程气固多相流动的理论及计算.浙江:浙江 大学出版社, 1990 [ 8] Ghose M K, Majee S R.Air pollution caused by opencast mining and its abatement measu res in India .J Environ Manag, 2001, 63:193 [ 9] Chen J X, Fu X D, Wegman E J.Real-time simulation of dust behavior generated by a fast traveling vehicle.ACM Trans Model · 28 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2007 年 增刊 2

Vol.29 Suppl 2 蒋仲安等：基于粒子系统的爆破烟尘运动的模拟研究 29。 Comp Simul.1999.9(2):81 Simulated study of the blasting smog-dust movement on account of particle system JIANG Zhongan,WAN Shanfu,SUN Jia School of Civil and Environmental Engincering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT Based on the analy sis of blasting smog-dust and its characters,the mat hem atical model of blasting smog-dust movement was established through mass flux,momentum flux,buoyancy flux and closed hypothesis. The shape of blasting smog-dust clouds in the states of impaction,mushroom cloud and diffusion movement was simulated on account of particle sy stem.A program named BSMS was generated and the real-time simulation of blasting smog-dust movement w as implemented. KEY WORDS particle system;blasting smog and dust;smog-dust movement;smog-dust diffusion;real-time simulation

Comp Simul, 1999, 9( 2) :81 Simulated study of the blasting smog-dust movement on account of particle system J IANG Zhongan, WAN Shanfu , SUN Jia S chool of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT Based on the analy sis of blasting smog-dust and its characters, the mathematical model of blasting smog-dust movement w as established through mass flux, momentum flux , buoyancy flux and closed hypothesis. The shape of blasting smog-dust clouds in the states of impaction, mushroom cloud and diffusion movement was simulated on account of particle sy stem .A program named BSM S was generated and the real-time simulation of blasting smog-dust movement w as implemented . KEY WORDS particle system ;blasting smog and dust ;smog-dust movement ;smog-dust diffusion ;real-time simulation Vol.29 Suppl.2 蒋仲安等:基于粒子系统的爆破烟尘运动的模拟研究 · 29 ·