本文是一篇软件工程硕士论文，本文针对建筑对有毒云团扩散预测的影响进行了初步研究，提出了Gaussian-CFD双耦合模型探究跨尺度场景下建筑对有毒云团扩散的时空分布影响，为有效服务泄漏事故后的紧急救援，基于卷积变分自编码器提出了毒气扩散预测模型cV AE-DNN。
1 绪论
1.1 研究背景与意义
随着现代工业的飞速发展，化学原料成为社会生活不可或缺的生产要素，已广泛应用到如能源、农业、医疗和交通等领域，化工厂的数量和规模也随之不断增加与扩大[1]。与此同时，毒气泄漏事故随着社会工业化的发展而不断增多。化学原料在生产、加工、储存和运输过程中存在诸多泄露的风险因素，一旦泄露事故发生，易燃或有毒的化学原料大多会以气体、粉尘或液滴等形式剧烈释放，造成严重的环境污染、人员伤亡和财产损失[2]。因此，对毒气泄露后的扩散运动进行预测研究十分必要，有助于减少泄露事故造成的伤害[3]。
有毒气体泄漏事故因其突发性强、传播范围广和扩散速度快等特点，一旦发生，可能会导致严重后果，对社会安全构成巨大威胁。例如，2023年2月美国俄亥俄州10节载有有毒物质的车厢发生泄漏，事故造成2000名居民紧急撤离，当地水源和环境被严重污染[4]。有毒气体泄漏事故在国内外都频频发生，例如，1998年7月河北省沧州炼油厂工程公司由于凝缩油泄漏致使4人窒息死亡，直接经济损失达到三百万；2021年6月贵州省贵阳市经开区一辆运输车在卸载甲酸甲酯时意外发生泄漏，事故造成9人死亡和3人受伤；2023年12月宁夏中宁县一车间发生硫化氢泄漏事件，造成24人中毒，3人因抢救无效死亡[5]。
通过对国内外历年毒气泄漏事故的分析发现，不仅事故发生地区的人员遭受重大伤亡，而且事故周边的城市居民区也容易受到毒气影响，导致人员伤亡和财产损失等情况。这是由于考虑到化工企业的潜在危险和管理成本，化工企业一般会选址于城市郊区。然而，当位于这些郊区的化工厂发生危险化学品泄漏时，形成的有毒云团在气象条件下可能会迅速扩散到城镇内部，对居民安全构成严重威胁。气象和障碍物等因素在稀释有毒气体方面起着重要作用，一方面建筑周围气流的复杂相互作用阻碍毒气的扩散，另一方面低风速促进街道峡谷内毒气的积聚[6]。
1.2 国内外研究现状
由于毒气泄漏事故带来的危害巨大，毒气扩散的研究和预测一直受到广泛关注。环境科学和计算机学科领域的研究学者从多个角度进行探索，采用不同的研究方法进行实验，并取得了显著的研究成果。本节将根据不同的毒气扩散研究方法，介绍国内外研究者对毒气浓度扩散方面的研究历程和现状。
根据适用场景、计算精度和计算速度的不同，毒气泄漏后的扩散行为研究方法主要包括：现场试验法、数值模拟法、风洞实验法和机器学习法。影响有毒云团扩散的因素包括大气稳定度、风速、风向、地表粗糙度以及地形和地势等，为了研究有毒气体泄漏后的扩散行为，研究学者从影响毒气扩散的不同因素入手进行了探究。
1.2.1 现场试验
在研究早期，主要基于现场试验的方法来探究有毒气体在泄露后的扩散。Gupta[8]建立了大规模实验，来研究氨气在空旷场地的扩散行为；Britter[9]考虑了气体释放时的射流现象进行了现场试验，验证了障碍物对气体扩散的影响。An[10]进行了释放物质为四氧化二氮的系列现场实验得到大量数据，并据此对观察到的现象进行定量描述。研究液化天然气（LNG）扩散的现场试验包括：Jr[11]在平坦地形进行了多次泄漏实验，获得大量毒气扩散浓度数据，来研究液化天然气泄漏后在不同气象条件下的扩散；Robertson[12]研究了LNG在存在障碍物环境下的扩散，根据现场试验的浓度数据说明了建筑围墙对缓解毒气扩散的重要作用。为研究氯气泄露后的扩散，Hanna[13]在沙漠地点进行了Jack Rabbit（JR）现场试验，测试和观察氯在短时间大量释放后的扩散规律，发现在风速小于1.5m/s时有毒云团滞留在泄露位置并向下风向缓慢扩散，风速大于1.5m/s时云团向外扩散并向下风向移动。之后Gant[14]进行了一系列大规模氯释放的JR II现场试验，以船运集装箱来模拟城市建筑阵列，测试研究了氯在不同方向泄漏后的扩散，试验提高了大众对压力液化氯释放和大气扩散的理解，并为应急响应人员提供了有效的实用知识。
2 相关理论基础
2.1 大气扩散模型
大气扩散模型指的是利用数学模型，结合提出的假设条件，选取系列经验参数，来计算和模拟实际境况下大气污染物的扩散和迁移情况。目前流行的大气扩散模型包括高斯扩散模型、RIMPUFF模型和CALPUFF模型等，需要根据不同的场景并结合模型的特点来选择合适的扩散模型。
（1）高斯扩散模型
高斯扩散模型根据适用场景分为高斯烟羽模型和高斯烟团模型两种，它从统计方法入手，考察扩散物质的浓度分布，适用于计算点源（烟囱、工业储罐、通风口等）的扩散[41]。
高斯扩散模型简单易用、计算速度快，常应用于地形平坦且可忽略湍流影响的简单扩散场景中。当扩散场景变得复杂，例如存在障碍物时，会引起流场的湍流扰动，这一现象足以对污染物扩散造成不可忽略的影响。对于有毒云团的扩散预测研究，往往需要进行多角度分析，不仅考虑浓度数据，还需要结合风场数据去研究扩散现象，但高斯扩散模型的计算结果只提供扩散物质的质量浓度数据，对于存在建筑等障碍物的复杂扩散场景，高斯扩散模型的适用性和准确性不高。
（2）RIMPUFF模型
RIMPUFF是一种以固定速率连续释放高斯形状的烟团来模拟气体扩散的大气扩散模型，是一种拉格朗日烟团模型[43]。该模型假设释放的烟团在垂直或水平方向扩散时服从高斯分布，在扩散过程中，模型根据每个烟团的中心位置处的风速影响来计算下一时间步的烟团的中心位置，当计算达到稳态时，模拟区域中每个网格点的累积浓度就是模拟得到的浓度分布[44]。
RIMPUFF扩散模型相对简单，已经被广泛应用于化学、生物、放射和核材料泄漏等的事故的应急处理中[46]。但RIMPUFF扩散模型的一个关键输入是计算域的风场数据，在实际使用中，从气象站获得的观测天气数据有限，不足以驱动RIMPUFF进行扩散计算。且该模型没有考虑污染物扩散过程中可能发生的化学反应和复杂事故场景下的湍流现象，存在预测结果精度较低的现象。
2.2 CFD数值模拟理论基础
CFD模型是基于计算流体力学的数值方法，以 Navier-Stokes（N-S）方程为基础，通过初始条件和边界条件设置，利用数值计算的相关理论方法，仿真预测微尺度复杂场景下各种流场（风流场、浓度流场等）的分布[48]。CFD模型利用离散化的数学方法来求解流体运动，通过与真实的结果对比，CFD模型可以得到较高精度的实验结果。
2.2.1 流体流动控制方程
三大守恒定律是自然界中流体运动的核心，包括能量守恒定律、质量守恒定律和动量守恒定律[49]。在数值模拟中通过控制方程（例如N-S方程）来对守恒定律进行数学语言表达，求解控制方程就可以得到流场中参数的时空分布与变化[50]。基于雷诺平均法研究分析有毒气体的扩散过程，涉及动量守恒方程、质量守恒方程和物质传输方程。
2.2.2 湍流数值模拟方法
湍流具有复杂的流动结构，包含多个不同尺度的涡旋，由于其难以直接进行计算，所以引进了湍流模型来帮助研究和预测湍流现象[51]。常见的湍流数值模拟方法包括雷诺平均模拟、直接数值模拟和大涡模拟[52]。
（1）直接数值模拟（DNS）
直接数值模拟就是不需要任何湍流模型，不包含任何人为假设或经验常数，直接求解完整的Navier-Stokes方程[53]。直接数值模拟需要划分大量的网格和高精度的计算，需要很大的计算内存和计算时间，因此难以在工程运用中实现。
（2）大涡模拟（LES）
大涡模拟方法能够有效应对RANS方法无法解决的非稳态非平衡过程中的大尺度效应，但是该方法同样因为计算成本高而无法广泛应用[54]。
3 建筑对有毒云团扩散的时空分布影响研究 ..................... 17
3.1 引言 ............................ 17
3.2 中/小尺度场景的毒气扩散模型 ................... 18
4 基于卷积变分自编码器的毒气扩散预测方法研究 ......................... 35
4.1 引言 ............................. 35
4.2 基于卷积变分自编码器的毒气扩散预测模型 ............................ 36
5 总结与展望................................ 55
5.1 本文总结 ................................ 55
5.2 工作展望 ................................. 56
4 基于卷积变分自编码器的毒气扩散预测方法研究
4.1 引言
计算流体力学模型在模拟复杂的流动现象时，具有高精度、灵活性和可控性等优点。相较于现场试验等研究方法，CFD能够为案例分析提供详细数据，并且可以在不同条件下进行快速修改和模拟，这使得实验过程更加高效。在3.2.2小节的分析中，利用CFD来模拟毒气在城市建筑这一复杂环境下的扩散过程并通过修改边界条件进行了对比试验，根据计算结果获得了详尽的毒气扩散浓度数据以及风场数据信息，从而对毒气在复杂湍流下的扩散规律进行了总结。
应用CFD方法有许多优势，但其需要大量的计算资源和时间来处理流场的离散化和求解过程，使得它的时间和计算成本很高。CFD的基本原理是基于流体力学方程组进行建模和求解，这些方程通常包含连续性方程和动量方程。在数值计算过程中，这些偏微分方程需要通过数值方法进行离散化处理，例如有限
