第04章大氣污染度估算模式08

1、第四章第四章 大氣污染物擴(kuò)散模式大氣污染物擴(kuò)散模式1.湍流擴(kuò)散的基本理論湍流擴(kuò)散的基本理論2.高斯擴(kuò)散模式高斯擴(kuò)散模式3.污染物濃度的估算方法污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式5.城市及山區(qū)的擴(kuò)散模式城市及山區(qū)的擴(kuò)散模式6.煙囪高度設(shè)計煙囪高度設(shè)計w掌握大氣擴(kuò)散的理論和擴(kuò)散模式，學(xué)會估算污染掌握大氣擴(kuò)散的理論和擴(kuò)散模式，學(xué)會估算污染物濃度、煙氣抬升高度，確定煙囪高度和廠址物濃度、煙氣抬升高度，確定煙囪高度和廠址 建議學(xué)時數(shù)：4學(xué)時第一節(jié)第一節(jié) 湍流擴(kuò)散的基本理論湍流擴(kuò)散的基本理論w擴(kuò)散的要素擴(kuò)散的要素n風(fēng)風(fēng)：平流輸送為主，風(fēng)大則湍流大平流輸送為主，風(fēng)大則湍

2、流大n湍流：湍流擴(kuò)散比分子擴(kuò)散快湍流：湍流擴(kuò)散比分子擴(kuò)散快10105 510106 6倍倍w湍流的基本概念湍流的基本概念 n 湍流湍流大氣的無規(guī)則運動大氣的無規(guī)則運動 w風(fēng)速的脈動風(fēng)速的脈動w風(fēng)向的擺動風(fēng)向的擺動w起因與兩種形式起因與兩種形式 n熱力：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）大氣穩(wěn)定度熱力：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）大氣穩(wěn)定度n機(jī)械：垂直方向風(fēng)速分布不均勻及地面粗糙度機(jī)械：垂直方向風(fēng)速分布不均勻及地面粗糙度w雷諾還找到了由層流運動轉(zhuǎn)換到湍流運動的判據(jù)雷諾還找到了由層流運動轉(zhuǎn)換到湍流運動的判據(jù)雷諾數(shù)（雷諾數(shù)（re）w臨界雷諾數(shù)w試驗（圓管）表明：試驗（圓管）表明：w當(dāng)當(dāng)re2000時的流體流動

3、是時的流體流動是 湍流湍流w當(dāng)當(dāng)re0.1m/sw則則re6000w所以通常認(rèn)為大氣運動都是湍流運動所以通常認(rèn)為大氣運動都是湍流運動lure湍流擴(kuò)散理論湍流擴(kuò)散理論w主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關(guān)系主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關(guān)系1.1.梯度輸送理論梯度輸送理論類比于分子擴(kuò)散，污染物的擴(kuò)散速率與負(fù)濃度梯度類比于分子擴(kuò)散，污染物的擴(kuò)散速率與負(fù)濃度梯度成正比成正比2.2.湍流統(tǒng)計理論湍流統(tǒng)計理論 泰勒泰勒圖圖4-1，正態(tài)分布，正態(tài)分布 薩頓實用模式薩頓實用模式 高斯模式高斯模式 3.3.相似理論相似理論 aaamcndx 二、湍流擴(kuò)散理論簡介二、湍流擴(kuò)散理論簡介w主

4、要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關(guān)系主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關(guān)系w1.1.梯度輸送理論梯度輸送理論w德國科學(xué)家菲克，在德國科學(xué)家菲克，在1855年發(fā)表了一篇題為年發(fā)表了一篇題為“論擴(kuò)散論擴(kuò)散”的的著名論文。在這篇論文中，他首先提出了梯度擴(kuò)散理論。他著名論文。在這篇論文中，他首先提出了梯度擴(kuò)散理論。他把這個理論表述為：把這個理論表述為：“假定食鹽在其溶劑中的擴(kuò)散定律與在假定食鹽在其溶劑中的擴(kuò)散定律與在導(dǎo)體中發(fā)生的熱擴(kuò)散相同，是十分自然的。導(dǎo)體中發(fā)生的熱擴(kuò)散相同，是十分自然的。”w通過泰勒（通過泰勒（g.i.tayler）與菲克（）與菲克（a. fick）擴(kuò)散理論的類

5、比）擴(kuò)散理論的類比建立起來的。菲克認(rèn)為分子擴(kuò)散的規(guī)律與傅立葉提出的固體建立起來的。菲克認(rèn)為分子擴(kuò)散的規(guī)律與傅立葉提出的固體中的熱傳導(dǎo)的規(guī)律類似，皆可用相同的數(shù)學(xué)方程式描述。中的熱傳導(dǎo)的規(guī)律類似，皆可用相同的數(shù)學(xué)方程式描述。w湍流梯度輸送理論進(jìn)一步假定，由大氣湍流引起的某物質(zhì)的湍流梯度輸送理論進(jìn)一步假定，由大氣湍流引起的某物質(zhì)的擴(kuò)散，類似于分子擴(kuò)散，并可用同樣的分子擴(kuò)散方程描述。擴(kuò)散，類似于分子擴(kuò)散，并可用同樣的分子擴(kuò)散方程描述。為了求得各種條件下某污染物的時、空分布，必須對分子擴(kuò)為了求得各種條件下某污染物的時、空分布，必須對分子擴(kuò)散方程在進(jìn)行擴(kuò)散的大氣湍流場的邊界條件下求解。然而由散方程在進(jìn)行

6、擴(kuò)散的大氣湍流場的邊界條件下求解。然而由于邊界條件往往很復(fù)雜，不能求出嚴(yán)格的分析解，只能在特于邊界條件往往很復(fù)雜，不能求出嚴(yán)格的分析解，只能在特定的條件下求出近似解，再根據(jù)實際情況修正。定的條件下求出近似解，再根據(jù)實際情況修正。 二、湍流擴(kuò)散理論簡介二、湍流擴(kuò)散理論簡介w2.湍流統(tǒng)計理論：湍流統(tǒng)計理論：w泰勒泰勒(gitayler)首先應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法研究湍流擴(kuò)首先應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法研究湍流擴(kuò)散問題，并于散問題，并于1921年提出了著名的泰勒公式。湍流統(tǒng)年提出了著名的泰勒公式。湍流統(tǒng)計理論假定：流體中的微粒與連續(xù)流體一樣，呈連續(xù)計理論假定：流體中的微粒與連續(xù)流體一樣，呈連續(xù)運動，微粒在進(jìn)行傳輸和擴(kuò)散

7、時，不發(fā)生化學(xué)和生物運動，微粒在進(jìn)行傳輸和擴(kuò)散時，不發(fā)生化學(xué)和生物學(xué)反應(yīng)；微粒的大小和質(zhì)量不計，并將微粒運動看作學(xué)反應(yīng)；微粒的大小和質(zhì)量不計，并將微粒運動看作是相對于一定空間發(fā)生的。是相對于一定空間發(fā)生的。w圖圖4-1表示從污染源釋放出的粒子，在風(fēng)沿著表示從污染源釋放出的粒子，在風(fēng)沿著x方向吹方向吹的湍流大氣中擴(kuò)散的情況。假定大氣湍流場是均勻、的湍流大氣中擴(kuò)散的情況。假定大氣湍流場是均勻、穩(wěn)定的。從原點釋放出的一個粒子的位置用穩(wěn)定的。從原點釋放出的一個粒子的位置用y表示，則表示，則y隨時間而變化，但其平均值為零。如果從原點放出很隨時間而變化，但其平均值為零。如果從原點放出很多粒子，則在多粒子，

8、則在x軸上粒子的濃度最高，濃度分布以軸上粒子的濃度最高，濃度分布以x軸軸為對稱軸，并符合正態(tài)分布為對稱軸，并符合正態(tài)分布。 圖4-1由湍流引起的擴(kuò)散 3.相似理論相似理論w湍流相似擴(kuò)散理論，最早始于英國科學(xué)家里查森和泰湍流相似擴(kuò)散理論，最早始于英國科學(xué)家里查森和泰勒。后來由于許多科學(xué)家的努力，特別是俄國科學(xué)家勒。后來由于許多科學(xué)家的努力，特別是俄國科學(xué)家的貢獻(xiàn)，使湍流擴(kuò)散相似理論得到很大發(fā)展。的貢獻(xiàn)，使湍流擴(kuò)散相似理論得到很大發(fā)展。w湍流擴(kuò)散相似理論的基本觀點是，湍流由許多大小不湍流擴(kuò)散相似理論的基本觀點是，湍流由許多大小不同的湍渦所構(gòu)成，大湍渦失去穩(wěn)定分裂成小湍渦，同同的湍渦所構(gòu)成，大湍渦失

9、去穩(wěn)定分裂成小湍渦，同時發(fā)生了能量轉(zhuǎn)移，這一過程一直進(jìn)行到最小的湍渦時發(fā)生了能量轉(zhuǎn)移，這一過程一直進(jìn)行到最小的湍渦轉(zhuǎn)化為熱能為止。從這一基本觀點出發(fā)，利用量綱分轉(zhuǎn)化為熱能為止。從這一基本觀點出發(fā)，利用量綱分析的理論，建立起某種統(tǒng)計物理量的普適函數(shù)，再找析的理論，建立起某種統(tǒng)計物理量的普適函數(shù)，再找出普適函數(shù)的具體表達(dá)式，從而解決湍流擴(kuò)散問題。出普適函數(shù)的具體表達(dá)式，從而解決湍流擴(kuò)散問題。我們把這種理論稱為相似擴(kuò)散理論。我們把這種理論稱為相似擴(kuò)散理論。w利用這些理論進(jìn)行研究時，常采用數(shù)值分析法、現(xiàn)場利用這些理論進(jìn)行研究時，常采用數(shù)值分析法、現(xiàn)場研究法和實驗室模擬研究法三種方法。理論和方法的研究法

10、和實驗室模擬研究法三種方法。理論和方法的運用不可分割，應(yīng)該將它們很好地結(jié)合在一起，得出運用不可分割，應(yīng)該將它們很好地結(jié)合在一起，得出與實際大氣污染擴(kuò)散相符合的計算模式。與實際大氣污染擴(kuò)散相符合的計算模式。 大氣湍流與污染物的擴(kuò)散大氣湍流與污染物的擴(kuò)散w圖圖a表示煙團(tuán)在比它尺度小的湍渦作用下，一邊隨風(fēng)遷表示煙團(tuán)在比它尺度小的湍渦作用下，一邊隨風(fēng)遷移，一邊受到湍渦的攪擾，邊緣不斷與周圍空氣混合，移，一邊受到湍渦的攪擾，邊緣不斷與周圍空氣混合，體積緩慢地膨脹，煙團(tuán)內(nèi)部的濃度也不斷地降低。體積緩慢地膨脹，煙團(tuán)內(nèi)部的濃度也不斷地降低。w圖圖8.3b表示煙團(tuán)受到大尺度湍渦的作用。這時煙團(tuán)主表示煙團(tuán)受到大尺

11、度湍渦的作用。這時煙團(tuán)主要被湍渦所挾帶，本身增長不大。要被湍渦所挾帶，本身增長不大。w圖圖8.3c表示煙團(tuán)受到大小尺度相當(dāng)?shù)耐臏u扯動變形，表示煙團(tuán)受到大小尺度相當(dāng)?shù)耐臏u扯動變形，這是一種最強(qiáng)的擴(kuò)散過程。這是一種最強(qiáng)的擴(kuò)散過程。w在實際大氣中同時存在著各種不同大小的湍渦，擴(kuò)散在實際大氣中同時存在著各種不同大小的湍渦，擴(kuò)散過程是上述幾種過程共同完成的。過程是上述幾種過程共同完成的。w目前研究湍流的主要方法有兩種：目前研究湍流的主要方法有兩種：w一種是半經(jīng)驗理論方法一種是半經(jīng)驗理論方法，它是通過解運動方程等來研，它是通過解運動方程等來研究邊界層大氣運動；究邊界層大氣運動；w是模仿氣體分子運動與氣體宏

12、觀運動的理論處理方法，是模仿氣體分子運動與氣體宏觀運動的理論處理方法，結(jié)合經(jīng)驗事實，采用適當(dāng)?shù)膮?shù)。結(jié)合經(jīng)驗事實，采用適當(dāng)?shù)膮?shù)。w雖然這個理論本身還很粗糙，但能夠解決一些實際問雖然這個理論本身還很粗糙，但能夠解決一些實際問題題(如物體在流體中運行的阻力如物體在流體中運行的阻力)，所以許多應(yīng)用科學(xué)，所以許多應(yīng)用科學(xué)家和工程技術(shù)人員對此比較感興趣家和工程技術(shù)人員對此比較感興趣w另一種是湍流統(tǒng)計理論方法另一種是湍流統(tǒng)計理論方法，即物理上把湍流視為大，即物理上把湍流視為大大小小不同尺度湍渦的迭加，用數(shù)學(xué)來描述則是把湍大小小不同尺度湍渦的迭加，用數(shù)學(xué)來描述則是把湍流看成無窮多個頻率各異的波迭加而成，采

13、用數(shù)理統(tǒng)流看成無窮多個頻率各異的波迭加而成，采用數(shù)理統(tǒng)計途徑，來分析研究湍流內(nèi)部結(jié)構(gòu)。計途徑，來分析研究湍流內(nèi)部結(jié)構(gòu)。w將流體的不規(guī)則運動視為隨機(jī)運動的集合，以數(shù)理統(tǒng)將流體的不規(guī)則運動視為隨機(jī)運動的集合，以數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的方法來研究湍流內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，許多基礎(chǔ)理論科計學(xué)的方法來研究湍流內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，許多基礎(chǔ)理論科學(xué)家就致力于這方面的研究。學(xué)家就致力于這方面的研究。第二節(jié)第二節(jié) 高斯擴(kuò)散模式高斯擴(kuò)散模式w高斯模式的有關(guān)假定高斯模式的有關(guān)假定n坐標(biāo)系坐標(biāo)系坐標(biāo)系取排放點（無界源、地面源或高架源排放點）在地面的投影點為原坐標(biāo)系取排放點（無界源、地面源或高架源排放點）在地面的投影點為原點，主風(fēng)向為點，主風(fēng)向為x

14、軸，軸，y軸在水平面內(nèi)垂直于軸在水平面內(nèi)垂直于x軸，正方向在軸，正方向在x軸的左側(cè)，軸的左側(cè)，z軸垂直于水平面，向上為正，即右手坐標(biāo)系。食指軸垂直于水平面，向上為正，即右手坐標(biāo)系。食指x軸；中指軸；中指y軸；軸；拇指拇指z軸。此坐標(biāo)系中，煙流中心與軸。此坐標(biāo)系中，煙流中心與x軸重合或煙流在軸重合或煙流在oxy平面的投影平面的投影為為x軸。軸。 右手坐標(biāo)，右手坐標(biāo)，y為橫風(fēng)向，為橫風(fēng)向，z為垂直向為垂直向n四點假設(shè)四點假設(shè) wa污染物濃度在污染物濃度在y、z風(fēng)向上分布為正態(tài)分布風(fēng)向上分布為正態(tài)分布wb全部高度風(fēng)速均勻穩(wěn)定全部高度風(fēng)速均勻穩(wěn)定wc源強(qiáng)是連續(xù)均勻穩(wěn)定的源強(qiáng)是連續(xù)均勻穩(wěn)定的wd擴(kuò)散中污

15、染物是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化）擴(kuò)散中污染物是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化） 高斯擴(kuò)散模式高斯擴(kuò)散模式w高斯擴(kuò)散模式的坐標(biāo)系高斯擴(kuò)散模式的坐標(biāo)系連續(xù)點源擴(kuò)散模式（坐標(biāo)原點排放點）連續(xù)點源擴(kuò)散模式（坐標(biāo)原點排放點）w由正態(tài)分布假定由正態(tài)分布假定a，得下風(fēng)向任一點的濃度分布，得下風(fēng)向任一點的濃度分布w方差的表達(dá)式方差的表達(dá)式w由假定由假定d 源強(qiáng)積分式源強(qiáng)積分式 （單位時間物料守恒）（單位時間物料守恒） 22( , , )( )eeaybzc x y za x2200ddyy c yc y2200ddzz c zc zd d quc y z2222( , , )exp ()222yzyzqyzc x y zu （

16、46）（41）（42）（43）u上式中：上式中： 平均風(fēng)速； q源強(qiáng)是指污染物排放速率。與空氣中污染物質(zhì)的濃度成正比，它是研究空氣污染問題的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通常： （）瞬時點源的源強(qiáng)以一次釋放的總量表示； （）連續(xù)點源以單位時間的釋放量表示； （）連續(xù)線源以單位時間單位長度的排放量表示； （）連續(xù)面源以單位時間單位面積的排放量表示。 y側(cè)向擴(kuò)散參數(shù)，污染物在y方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離y的函數(shù)，m； z豎向擴(kuò)散參數(shù)，污染物在z方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離z的函數(shù)，m；未知量濃度c、待定函數(shù)a(x)、待定系數(shù)a、b；式、組成一方程組，四個方程式有四個未知數(shù)，故方程式可解。高斯煙流的形態(tài)高斯煙流的形態(tài)22

17、2222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzhzhc x y z hu n實際濃度實際濃度222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzhzhc x y z hu n實際濃度實際濃度（47）高架連續(xù)點源擴(kuò)散模式高架連續(xù)點源擴(kuò)散模式（坐標(biāo)原點在地面）（坐標(biāo)原點在地面）w鏡像全反射鏡像全反射-像源法像源法n實源：實源： n像源：像源：( , , ,)c x y z hz( , , ,)c x y z hz2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzhc x y z hu n實源的貢獻(xiàn)實源的貢獻(xiàn)2222()( ,

18、, ,)exp ()222yyyzqyzhc x y z hu n實源的貢獻(xiàn)實源的貢獻(xiàn)2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzhc x y z hu n像源的貢獻(xiàn)像源的貢獻(xiàn)2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzhc x y z hu n像源的貢獻(xiàn)像源的貢獻(xiàn)p點點污污染染物物濃濃度度重要重要高架連續(xù)點源擴(kuò)散模式高架連續(xù)點源擴(kuò)散模式:幾種特殊情況下的計算公式：幾種特殊情況下的計算公式：2222( , ,0,)exp()exp()22yzyzqyhc x yhu 地面濃度模式：取地面濃度模式：取z z0 0代入上式，得代入上式，得2222( , ,0,)ex

19、p()exp()22yzyzqyhc x yhu 地面濃度模式：取地面濃度模式：取z z0 0代入上式，得代入上式，得22( ,0,0,)exp()2zyzqhc xhu 地面軸線濃度模式：再取地面軸線濃度模式：再取y y=0=0代入上式代入上式22( ,0,0,)exp()2zyzqhc xhu 地面軸線濃度模式：再取地面軸線濃度模式：再取y y=0=0代入上式代入上式22( ,0,0,)exp()2zyzqhc xhu yz上式，上式，x增大，則增大，則、 增大，第一項減小，第二增大，第一項減小，第二項增大，必然在某項增大，必然在某x 處有最大值處有最大值地面最大濃度模式：地面最大濃度模式

20、：考慮地面軸線濃度模式考慮地面軸線濃度模式22( ,0,0,)exp()2zyzqhc xhu yz上式，上式，x增大，則增大，則、 增大，第一項減小，第二增大，第一項減小，第二項增大，必然在某項增大，必然在某x 處有最大值處有最大值yz上式，上式，x增大，則增大，則、 增大，第一項減小，第二增大，第一項減小，第二項增大，必然在某項增大，必然在某x 處有最大值處有最大值地面最大濃度模式：地面最大濃度模式：考慮地面軸線濃度模式考慮地面軸線濃度模式高斯煙流的濃度分布高斯煙流的濃度分布高架連續(xù)點源擴(kuò)散模式高架連續(xù)點源擴(kuò)散模式 yzconstd ( ,0,0,)0dzc xhmax22zyqcuh e

21、max|2czx xh地面最大濃度模式（續(xù)）：地面最大濃度模式（續(xù)）：設(shè)設(shè)（實際中成立）（實際中成立）由此求得由此求得yzconstd ( ,0,0,)0dzc xhmax22zyqcuh emax|2czx xh地面最大濃度模式（續(xù)）：地面最大濃度模式（續(xù)）：設(shè)設(shè)（實際中成立）（實際中成立）由此求得由此求得2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y zu 地面源高斯模式（令地面源高斯模式（令h h0 0）：）：相當(dāng)于無界源的相當(dāng)于無界源的2 2倍（鏡像垂直于地面，源強(qiáng)加倍）倍（鏡像垂直于地面，源強(qiáng)加倍）2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y

22、 zu 地面源高斯模式（令地面源高斯模式（令h h0 0）：）：相當(dāng)于無界源的相當(dāng)于無界源的2 2倍（鏡像垂直于地面，源強(qiáng)加倍）倍（鏡像垂直于地面，源強(qiáng)加倍）不隨距離不隨距離x變化變化顆粒物擴(kuò)散模式顆粒物擴(kuò)散模式w粒徑小于粒徑小于15m的顆粒物可按氣體擴(kuò)散計算的顆粒物可按氣體擴(kuò)散計算w大于大于15m的顆粒物：重力沉降作用，傾斜煙流模式的顆粒物：重力沉降作用，傾斜煙流模式 地面反射系數(shù)地面反射系數(shù)2222(1)(/ )( , ,0,)exp()exp222tyzyza qyhv x uc x yhu 2pp18tdgv第三節(jié)第三節(jié) 污染物濃度的估算污染物濃度的估算wq 源強(qiáng)源強(qiáng) 計算或?qū)崪y計算或

23、實測 w 平均風(fēng)速平均風(fēng)速 多年的風(fēng)速資料多年的風(fēng)速資料 wh 有效煙囪高度有效煙囪高度 w 、 擴(kuò)散參數(shù)擴(kuò)散參數(shù)u yz 1.煙氣抬升高度的計算煙氣抬升高度的計算 初始動量：初始動量： 速度、內(nèi)徑速度、內(nèi)徑煙氣溫度煙氣溫度 浮力浮力煙氣抬升煙氣抬升shhhshh煙囪幾何高度煙囪幾何高度抬升高度抬升高度有效源高有效源高shhhshh煙囪幾何高度煙囪幾何高度抬升高度抬升高度有效源高有效源高第三節(jié)第三節(jié) 污染物濃度的估算污染物濃度的估算w煙氣抬升大體上分為以下四個階段。煙氣抬升大體上分為以下四個階段。 噴出階段噴出階段 煙氣自煙囪口垂直向上噴出，因自身的初始動量繼續(xù)上煙氣自煙囪口垂直向上噴出，因自

24、身的初始動量繼續(xù)上升，此階段也稱為動力抬升階段。顯然煙囪出口處煙氣的垂直速升，此階段也稱為動力抬升階段。顯然煙囪出口處煙氣的垂直速度度v vs s愈大，初始動量愈大，動力抬升的高度也越高。愈大，初始動量愈大，動力抬升的高度也越高。 浮升階段浮升階段 煙氣離開煙囪后，由于煙氣溫度煙氣離開煙囪后，由于煙氣溫度tsts比周圍大氣溫度比周圍大氣溫度tata高，則煙氣比周圍空氣密度小，從而產(chǎn)生浮力，溫差愈大，浮力高，則煙氣比周圍空氣密度小，從而產(chǎn)生浮力，溫差愈大，浮力上升愈高。初始動量的主導(dǎo)作用漸漸消失，隨后主要是煙氣本身上升愈高。初始動量的主導(dǎo)作用漸漸消失，隨后主要是煙氣本身的熱量在環(huán)境中造成的浮力抬

25、升。對于熱煙氣來說，這是煙氣抬的熱量在環(huán)境中造成的浮力抬升。對于熱煙氣來說，這是煙氣抬升的主要階段升的主要階段 瓦解階段瓦解階段 在浮升階段的后期，煙氣在抬升過程中由于周圍空氣在浮升階段的后期，煙氣在抬升過程中由于周圍空氣被卷夾進(jìn)來使煙體膨大，內(nèi)外溫差和上升速度都顯著降低，煙流被卷夾進(jìn)來使煙體膨大，內(nèi)外溫差和上升速度都顯著降低，煙流的浮升速度已經(jīng)很慢，環(huán)境湍流使煙氣體積進(jìn)一步地增大，煙流的浮升速度已經(jīng)很慢，環(huán)境湍流使煙氣體積進(jìn)一步地增大，煙流自身的結(jié)構(gòu)也在短時間內(nèi)瓦解，煙氣原先的熱力和動力性質(zhì)喪失自身的結(jié)構(gòu)也在短時間內(nèi)瓦解，煙氣原先的熱力和動力性質(zhì)喪失殆盡，抬升結(jié)束。殆盡，抬升結(jié)束。 變平階段

26、變平階段 在有水平風(fēng)速在有水平風(fēng)速u u的情況下，空氣給煙氣以水平動量，隨的情況下，空氣給煙氣以水平動量，隨著垂直速度迅速降低，煙云很快傾斜彎曲，環(huán)境湍流繼續(xù)使煙氣著垂直速度迅速降低，煙云很快傾斜彎曲，環(huán)境湍流繼續(xù)使煙氣擴(kuò)散膨脹，煙流逐漸趨于變平。因此通常認(rèn)為抬升高度和風(fēng)速成擴(kuò)散膨脹，煙流逐漸趨于變平。因此通常認(rèn)為抬升高度和風(fēng)速成反比。反比。第三節(jié)第三節(jié) 污染物濃度的估算污染物濃度的估算w影響煙云抬升現(xiàn)象的因素：影響煙云抬升現(xiàn)象的因素：煙囪出口處的煙氣流速煙囪出口處的煙氣流速v vs s、煙氣溫度煙氣溫度t ts s、環(huán)境溫度即大氣溫度環(huán)境溫度即大氣溫度tata、風(fēng)速風(fēng)速u u、大氣穩(wěn)定度大氣

27、穩(wěn)定度近地層下墊面的狀況等。近地層下墊面的狀況等。煙氣抬升高度的計算煙氣抬升高度的計算w抬升高度計算式抬升高度計算式 （1） holland公式公式：適用于中性大氣條件適用于中性大氣條件（修正：穩(wěn)定（修正：穩(wěn)定時減小時減小1020，不穩(wěn)時增加，不穩(wěn)時增加1020） hollandholland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強(qiáng)的情況下公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強(qiáng)的情況下3ssahs1(1.52.7)(1.59.6 10)sv dtthdv dqtuu2.68x10-5p9.79煙氣抬升高度的計算煙氣抬升高度的計算w抬升高度計算式（抬升高度計算式（續(xù)）續(xù)）（2 2）brig

28、gsbriggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件 h1 1/32/3sh1 1/32/3sh21000kw 10 =0.362 10 =1.55當(dāng)時sqxhhqxuxhhqhuh1 1/31/3h3/52/5hs6/5 3/53/5hs21000kw 3 * =0.362 3 * =0.332 *=0.33當(dāng)時qxxhqxuxxhqhxqhu抬升高度計算抬升高度計算隨距離變化隨距離變化煙氣抬升高度的計算煙氣抬升高度的計算w抬升高度計算式抬升高度計算式 （續(xù)）（續(xù)）（ 3 3 ） 我 國） 我 國 “ 制 訂 地 方 大 氣 污 染 物 排 放 標(biāo) 準(zhǔn) 的 技 術(shù) 方

29、制 訂 地 方 大 氣 污 染 物 排 放 標(biāo) 準(zhǔn) 的 技 術(shù) 方法法”(gb/t13201-91)(gb/t13201-91)中的公式中的公式 12hsa1 nn0hshavashh121sh12100kw()35k =0.35 1700kw2100kw1700 =() 4002(1.50.01)0.04 =sqtthn qhutqp qttttqqhhhhv dqhu (1)當(dāng)和時(2)當(dāng)時hhsh1 / 43 / 8ah8(1700)1700kw35k2(1.50.01) = 10m1.5m/s d =5.5(0.0098)dquqtv dqhuthqz(3)當(dāng)或時(4)當(dāng)高 處 的 年

30、 平 均 風(fēng) 速 小 于 或 等 于時asttt排放源高度以上的氣溫直減率排放源高度以上的氣溫直減率r擴(kuò)散參數(shù)的確定擴(kuò)散參數(shù)的確定wpg曲線法曲線法pg曲線曲線pasquill常規(guī)氣象資料估算常規(guī)氣象資料估算gifford制成圖表（圖制成圖表（圖44，45）表）表44表表43查圖查圖44 y x xx曲線曲線查表查表45或查表或查表44擴(kuò)散參數(shù)的確定擴(kuò)散參數(shù)的確定pg曲線法曲線法wpg曲線的應(yīng)用曲線的應(yīng)用n根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別擴(kuò)散參數(shù)的確定擴(kuò)散參數(shù)的確定pg曲線法曲線法wpg曲線的應(yīng)用曲線的應(yīng)用n利用擴(kuò)散曲線確定利用擴(kuò)散曲線確定 和和yz擴(kuò)散參數(shù)的確定擴(kuò)散參數(shù)的

31、確定pg曲線法曲線法wpg曲線的應(yīng)用曲線的應(yīng)用n地面最大濃度估算地面最大濃度估算hmax|2czx xzhzxmaxcxyxmaxcw由由和和w由由曲線（圖曲線（圖4-5）反查出）反查出w由由曲線（圖曲線（圖4 4- -4 4）查）查w由式（由式（4 4- -1010）求出）求出yhmax|2czx xzhzxmaxcxyxmaxcw由由和和w由由曲線（圖曲線（圖4-5）反查出）反查出w由由曲線（圖曲線（圖4 4- -4 4）查）查w由式（由式（4 4- -1010）求出）求出y擴(kuò)散參數(shù)的確定中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法擴(kuò)散參數(shù)的確定中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法w穩(wěn)定度分類方法穩(wěn)定度分類方法n改進(jìn)的改進(jìn)的

32、pt法法 太陽高度角太陽高度角 （式（式4-29，地理緯度，太陽傾角），地理緯度，太陽傾角） （查表（查表4 45 5）輻射等級）輻射等級 穩(wěn)定度穩(wěn)定度 云量云量（加地面風(fēng)速）查表（加地面風(fēng)速）查表4 46 6 擴(kuò)散參數(shù)的確定中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法擴(kuò)散參數(shù)的確定中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法w擴(kuò)散參數(shù)的選?。ū頂U(kuò)散參數(shù)的選取（表48）n擴(kuò)散參數(shù)的表達(dá)式為（取樣時間擴(kuò)散參數(shù)的表達(dá)式為（取樣時間0.5h，按表，按表4-8查算）查算）n平原地區(qū)和城市遠(yuǎn)郊區(qū)，平原地區(qū)和城市遠(yuǎn)郊區(qū)，a、b、c級按表中直接級按表中直接查，查，d、e、f向不穩(wěn)定方向提半級向不穩(wěn)定方向提半級n工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，

33、a、b級不提級，級不提級，c提至提至b級，級，d、e、f向不穩(wěn)定方向提一級向不穩(wěn)定方向提一級n丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)n取樣時間大于取樣時間大于0.5h， 不變不變，1221,aayzxx2121()qyyzw思考題：思考題：什么是煙囪有效高度？煙什么是煙囪有效高度？煙囪抬升的主要原因是什么？抬升高囪抬升的主要原因是什么？抬升高度的影響因素有哪些？度的影響因素有哪些？w作業(yè)：作業(yè)：4.2、4.3、4.6 第四節(jié)第四節(jié) 特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式w主要指氣象條件與高斯模式不一樣主要指氣象條件與高斯模式不一樣（溫度層結(jié)構(gòu)均一，溫度層結(jié)構(gòu)均一

34、，實際中難以實現(xiàn)）實際中難以實現(xiàn)） w封閉型擴(kuò)散模式封閉型擴(kuò)散模式n相當(dāng)于兩鏡面之間無窮次全反射相當(dāng)于兩鏡面之間無窮次全反射n實源和無窮多個虛源貢獻(xiàn)之和實源和無窮多個虛源貢獻(xiàn)之和 nn為反射次數(shù)，在地面和逆面為反射次數(shù)，在地面和逆面n實源在兩個鏡子里分別形成實源在兩個鏡子里分別形成n個像個像22(2)exp2zyzqhndcu 地面軸線濃度地面軸線濃度22222222expexpexp222nyzzyzzhndzhndqycu 封閉型擴(kuò)散模式封閉型擴(kuò)散模式w計算簡化：計算簡化：1.當(dāng)當(dāng)（尚尚未未到到封封閉閉階階段段）w（煙煙流流半半寬寬度度）w查查pg曲曲線線w4-9式式計計算算地地面面軸軸線

35、線濃濃度度dxx2.15zdhdx1.當(dāng)當(dāng)（尚尚未未到到封封閉閉階階段段）w（煙煙流流半半寬寬度度）w查查pg曲曲線線w4-9式式計計算算地地面面軸軸線線濃濃度度dxx2.15zdhdx011d1dzdd2.當(dāng)當(dāng)，z z向向濃濃度度混混合合均均勻勻，z z分分布布函函數(shù)數(shù)為為d2xx22( , )exp()22yyqyc x yud011d1dzdd2.當(dāng)當(dāng)，z z向向濃濃度度混混合合均均勻勻，z z分分布布函函數(shù)數(shù)為為d2xx22( , )exp()22yyqyc x yud2.當(dāng)當(dāng)，z z向向濃濃度度混混合合均均勻勻，z z分分布布函函數(shù)數(shù)為為d2xx22( , )exp()22yyqyc

36、 x yud2.15 z處為處為煙流邊緣煙流邊緣式式436封閉型擴(kuò)散模式封閉型擴(kuò)散模式w計算簡化：計算簡化：dd2xxx3. dxxd2xx內(nèi)內(nèi)插插（假假定定變變化化為為線線性性），按按z值值插插值值dd2xxx3. dxxd2xx內(nèi)內(nèi)插插（假假定定變變化化為為線線性性），按按z值值插插值值對數(shù)內(nèi)插法對數(shù)內(nèi)插法dddxx2xxlogx2logxlogxlog)clogc(logclogclogddd熏煙型擴(kuò)散模式熏煙型擴(kuò)散模式w假設(shè)：假設(shè)： d 換成換成h hf f（垂向均勻分布）；（垂向均勻分布）；q q只包括進(jìn)入混合層部分，只包括進(jìn)入混合層部分， 則仍可用上面公式則仍可用上面公式 2221

37、1exp()d22( , ,0,)exp(), ()/22pffzyffyfqppyx yhphhuh2.15152.158oyyfyh tghhf穩(wěn)定煙流的穩(wěn)定煙流的邊界邊界2 z1502.15 y2.15 yfhf=h+2 z436注意：注意： y、 z用穩(wěn)定層用穩(wěn)定層熏煙型擴(kuò)散模式熏煙型擴(kuò)散模式hf按封閉式擴(kuò)散模型按封閉式擴(kuò)散模型式式436穩(wěn)定煙流的邊穩(wěn)定煙流的邊界界2 z1502.15 y2.15 yfhj=h+2 z h式式439第五節(jié)第五節(jié) 城市及山區(qū)擴(kuò)散模式城市及山區(qū)擴(kuò)散模式w一、城市大氣擴(kuò)散模式一、城市大氣擴(kuò)散模式1.線源擴(kuò)散模式線源擴(kuò)散模式w無無限限長長線線源源n風(fēng)風(fēng)向向和和

38、線線源源不不垂垂直直時時 （交交角角 4 45 5o o）22l2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqhyx yhyu 2l22( ,0,0,)exp()22sinzzqhxhuw無無限限長長線線源源n風(fēng)風(fēng)向向和和線線源源不不垂垂直直時時 （交交角角 4 45 5o o）22l2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqhyx yhyu 2l22( ,0,0,)exp()22sinzzqhxhuxy 參照高架連續(xù)參照高架連續(xù)點源地面濃度點源地面濃度公式公式482122l21( ,0,0,)exp()exp()d2222ppzzqhpxhpuw有限長線源有限長線源212

39、2l21( ,0,0,)exp()exp()d2222ppzzqhpxhpuw有限長線源有限長線源11/ypy22/ypyy橫風(fēng)橫風(fēng)邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)城市大氣擴(kuò)散模式城市大氣擴(kuò)散模式w2.面源擴(kuò)散模式面源擴(kuò)散模式w大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高 40m；單個排放量單個排放量 o3sox or nox + nh3 + oh - (nh4)2so4 or nh4no3so2 + oh - h2so4no2 + oh - hno3voc + oh -orgainic pm oh air toxics(pom, pah, hg(ii), etc.) fine pm(nitr

40、ate, sulfate, organic pm) nox + sox + oh (lake acidification, eutrophication) 第三代模式（第三代模式（models3）meteorologyprocessoremissionprocessorair qualitymodelsmokeorramsorpavemeteorologyprocessoremissionprocessorair qualitymodelsmokeorramsorpave/asmdnerl/models3/氣象氣象排放排放空氣質(zhì)量空氣質(zhì)量二、山區(qū)擴(kuò)散模式二、山

41、區(qū)擴(kuò)散模式n山區(qū)流場由于受到復(fù)雜地形的熱力和動力因子影山區(qū)流場由于受到復(fù)雜地形的熱力和動力因子影響，流場均勻和定常的假定難以成立響，流場均勻和定常的假定難以成立n對風(fēng)向穩(wěn)定、研究尺度不大、地形較為開闊及起對風(fēng)向穩(wěn)定、研究尺度不大、地形較為開闊及起伏不大的地區(qū)，濃度基本上遵循正態(tài)分布規(guī)律，伏不大的地區(qū)，濃度基本上遵循正態(tài)分布規(guī)律，只是擴(kuò)散參數(shù)比平原地區(qū)大很多只是擴(kuò)散參數(shù)比平原地區(qū)大很多山區(qū)擴(kuò)散模式山區(qū)擴(kuò)散模式封閉山谷中的擴(kuò)散模式：借鑒封閉型擴(kuò)散模式封閉山谷中的擴(kuò)散模式：借鑒封閉型擴(kuò)散模式求出求出 y yw/4.3 w/4.3 時的時的x xd dxxxxxxd d時，污染物在橫向近似為均勻分布。

42、時，污染物在橫向近似為均勻分布。 222,exp22zzqzx zuw 地面連續(xù)點源：地面連續(xù)點源： 地面濃度：地面濃度： 2,02zqxuw 高架源：高架源： 2222, ,expexp222zzyzzhzhqx z hu 山區(qū)擴(kuò)散模式山區(qū)擴(kuò)散模式 noaa和和epa模式模式對有效源高進(jìn)行修正對有效源高進(jìn)行修正高架點源煙流受起伏地形的影響，高架點源煙流受起伏地形的影響， noaa以高斯模式為以高斯模式為基礎(chǔ)，基礎(chǔ)，僅對僅對有效源高有效源高進(jìn)行修正。修正方法如下：進(jìn)行修正。修正方法如下：1 1）所有穩(wěn)定度的劃分仍用）所有穩(wěn)定度的劃分仍用p-tp-t法，僅適當(dāng)修正了級別；法，僅適當(dāng)修正了級別；2

43、 2）在中性和不穩(wěn)定時，假設(shè)煙流中心線與地面始終平行，）在中性和不穩(wěn)定時，假設(shè)煙流中心線與地面始終平行，有效源高不作修正，地面軸線濃度仍用（有效源高不作修正，地面軸線濃度仍用（4 49 9）；）；3 3）穩(wěn)定時，假定煙流中心線保持水平，地面軸線濃度：）穩(wěn)定時，假定煙流中心線保持水平，地面軸線濃度：epa與與noaa相似，只是對所有穩(wěn)定度級別都進(jìn)行了地相似，只是對所有穩(wěn)定度級別都進(jìn)行了地形高度修正形高度修正 22,0,exp2ttzyzhhqxhhu 當(dāng)當(dāng)h ht thh時，用時，用h hh ht t0 0山區(qū)擴(kuò)散模式山區(qū)擴(kuò)散模式 ert模式模式高斯模式，只對高斯模式，只對有效源高有效源高進(jìn)行修

44、正進(jìn)行修正hht時，用（時，用（hht/2），），hht時，用（時，用（h/2）作有效源高。）作有效源高。 采用平原的擴(kuò)散系數(shù)，低估了山區(qū)的擴(kuò)散速率采用平原的擴(kuò)散系數(shù)，低估了山區(qū)的擴(kuò)散速率第六節(jié)第六節(jié) 煙囪高度的設(shè)計煙囪高度的設(shè)計w煙囪高度的計算煙囪高度的計算要求：要求：n（1）達(dá)到稀釋擴(kuò)散的作用達(dá)到稀釋擴(kuò)散的作用n（2）造價最低，造價最低， 造價正比于造價正比于h h2 2n（3 3）地面濃度不超標(biāo)）地面濃度不超標(biāo) n按地面最大濃度計算按地面最大濃度計算 max22()ezyqcuhyzs02e () zbyqhhu ccbccc0max在0.51.0之間取0c標(biāo)準(zhǔn)濃度bc本底濃度max22

45、()ezyqcuhyzs02e () zbyqhhu ccbccc0max在0.51.0之間取0c標(biāo)準(zhǔn)濃度bc本底濃度0c標(biāo)準(zhǔn)濃度bc本底濃度風(fēng)速不變化風(fēng)速不變化 煙囪高度的計算煙囪高度的計算n按地面絕對最大濃度計算按地面絕對最大濃度計算maxcu（4-10）max(321)hhc出現(xiàn)極大值出現(xiàn)極大值maxcu（4-10）max(321)hhc出現(xiàn)極大值出現(xiàn)極大值實際風(fēng)速是變化的實際風(fēng)速是變化的 （422）由于風(fēng)速所引起的稀釋由于風(fēng)速所引起的稀釋和有效排放高度的作用和有效排放高度的作用達(dá)到了平衡，使地面最達(dá)到了平衡，使地面最大濃度達(dá)到最大值。大濃度達(dá)到最大值。危險風(fēng)速危險風(fēng)速絕對最大濃度絕對最

46、大濃度煙囪高度的計算煙囪高度的計算n按地面絕對最大濃度計算按地面絕對最大濃度計算1bhu（代入sbhhu2maxcsd0dcbuhu（危險風(fēng)速危險風(fēng)速危險風(fēng)速危險風(fēng)速）1bhu（代入sbhhu2maxcsd0dcbuhu（危險風(fēng)速危險風(fēng)速危險風(fēng)速危險風(fēng)速）此時sc2bhhhuabsm2ssc()2e2ezzyyqqch bh u代入下式可得代入下式可得sc02e()zybqhu cc此時sc2bhhhuabsm2ssc()2e2ezzyyqqch bh u代入下式可得代入下式可得sc02e()zybqhu cc代入式代入式410 max222222/zzzyyysssqqquu hheu hb

47、 ueh ube 上上 qqq煙囪高度的計算煙囪高度的計算w按一定保證率的計算法按一定保證率的計算法n取上述兩種情況之間一定保證率下的平均風(fēng)速和取上述兩種情況之間一定保證率下的平均風(fēng)速和擴(kuò)散參數(shù)擴(kuò)散參數(shù)wp值法值法n國標(biāo)國標(biāo)gb/t 13201-91np-某種污染物點源排放控制系數(shù)某種污染物點源排放控制系數(shù)t/h m26s10qhhp煙囪設(shè)計中的幾個問題煙囪設(shè)計中的幾個問題w上述計算公式按錐形高斯模式導(dǎo)出，在逆溫較強(qiáng)的地區(qū)，需要用上述計算公式按錐形高斯模式導(dǎo)出，在逆溫較強(qiáng)的地區(qū)，需要用封閉型或熏煙型模式校核封閉型或熏煙型模式校核w煙氣抬升高度的選取煙氣抬升高度的選取n優(yōu)先采用國家標(biāo)準(zhǔn)中的推薦公

48、式優(yōu)先采用國家標(biāo)準(zhǔn)中的推薦公式w為防止煙流下洗、下沉現(xiàn)象，煙氣出口速度高于平均風(fēng)速為防止煙流下洗、下沉現(xiàn)象，煙氣出口速度高于平均風(fēng)速1.5倍。倍。一般宜在一般宜在2030m/s，排煙溫度宜在，排煙溫度宜在100以上。以上。第七節(jié)第七節(jié)w一一 廠址選擇中所需的氣候資料廠址選擇中所需的氣候資料w1 1風(fēng)向和風(fēng)速資料。風(fēng)向頻率、風(fēng)速復(fù)合玫瑰圖。靜風(fēng)向和風(fēng)速資料。風(fēng)向頻率、風(fēng)速復(fù)合玫瑰圖。靜風(fēng)風(fēng)0.5m/s4545o o）22l2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqhyx yhyu 2l22( ,0,0,)exp()22sinzzqhxhuw無限長線源無限長線源n風(fēng)向和線源不垂直時風(fēng)向和線源不垂直時 （交角（交角4545o o）22l2( , ,0,)exp()exp()d22zyyzqhyx yhyu 2l22( ,0,0,)exp()22sinzzqhxhu4452122l21( ,0,0,)exp()exp()d2222ppzzqhpxhpuw有限長線源有限長線