大气污染控制工程_大气扩散浓度估算模式

1第四章大气扩散浓度估算模式教学内容§1湍流扩散的基本理论§2高斯扩散模式§3污染物浓度的估算方法§4特殊气象条件下的扩散模式§5城市及山区的扩散模式§6烟囱高度设计§7厂址选择2第4章大气扩散浓度估算模式1、教学要求要求了解湍流扩散的基本理论，理解和掌握高斯扩散模式、烟囱高度的设计和厂址的选择。2、教学重点掌握影响污染物稀释扩散法控制的有关条件；污染物浓度估算的高斯模式，烟囱高度的设计方法。3、教学难点污染物稀释扩散法控制，污染物浓度估算的高斯模式。3§1湍流扩散的基本理论一、湍流概念简介扩散的要素风：平流输送为主，风大则湍流大湍流：扩散比分子扩散快105～106倍1、什么是湍流？除在水平方向运动外，还会由上、下、左、右方向的乱运动，风的这种特性和摆动称为大气湍流。（有点象分子的热运动）或者说湍流是大气的无规则运动。2、湍流与扩散的关系把湍流想象成是由许多湍涡形成的，湍涡的不规则运动而形成它与分子运动极为相似。3.湍流起因有两种形式：热力：温度垂直分布不均（不稳定）机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度44.湍流运动的判据——雷诺数雷诺还找到了由层流运动转换到湍流运动的判据——雷诺数（Re）临界雷诺数试验（圆管）表明：当Re2000时的流体流动是湍流当Re2000时的流体流动是层流数值Re＝2000叫临界雷诺数大气湍流——临界雷诺数对于大气：V=1.5×10-5m2/s若取L=1m只要U0.1m/s则Re6000所以通常认为大气运动都是湍流运动LURe5二、湍流扩散理论简介1.梯度输送理论2.湍流统计理论63.研究湍流的主要方法目前研究湍流的主要方法有两种：一种是半经验理论方法，它是通过解运动方程等来研究边界层大气运动；是模仿气体分子运动与气体宏观运动的理论处理方法，结合经验事实，采用适当的参数。虽然这个理论本身还很粗糙，但能够解决一些实际问题(如物体在流体中运行的阻力)，所以许多应用科学家和工程技术人员对此比较感兴趣另一种是湍流统计理论方法，即物理上把湍流视为大大小小不同尺度湍涡的迭加，用数学来描述则是把湍流看成无穷多个频率各异的波迭加而成，采用数理统计途径，来分析研究湍流内部结构。将流体的不规则运动视为随机运动的集合，以数理统计学的方法来研究湍流内部的结构，许多基础理论科学家就致力于这方面的研究。7§2高斯扩散模式一、高斯模式的有关假定1.坐标系坐标系取排放点（无界源、地面源或高架源排放点）在地面的投影点为原点，主风向为x轴，y轴在水平面内垂直于x轴，正方向在x轴的左侧，z轴垂直于水平面，向上为正，即右手坐标系。食指—x轴；中指—y轴；拇指—z轴。此坐标系中，烟流中心与x轴重合或烟流在oxy平面的投影为x轴。2.四点假设a．污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布b．全部高度风速均匀稳定c．源强是连续均匀稳定的d．扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）8高斯扩散模式坐标系高斯扩散模式的坐标系93、无界情况下的扩散模式有正态分布假设①可写出浓度分布函数22,,bzayzyxeexAC……………………①由统计理论可写出方差表达式0022cdycdyyy……………………②0022cdzcdzzz……………………③根据假设③④的连续性条件可写出cdydzuQ……………………④二、无界空间连续点源扩散模式10u上式中：ū—平均风速；Q—源强是指污染物排放速率。与空气中污染物质的浓度成正比，它是研究空气污染问题的基础数据。通常：（ⅰ）瞬时点源的源强以一次释放的总量表示；（ⅱ）连续点源以单位时间的释放量表示；（ⅲ）连续线源以单位时间单位长度的排放量表示；（ⅳ）连续面源以单位时间单位面积的排放量表示。δy—侧向扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，是距离y的函数，m；δz—竖向扩散参数，污染物在z方向分布的标准偏差，是距离z的函数，m；未知量—浓度c、待定函数A(x)、待定系数a、b；式①、②、③、④组成一方程组，四个方程式有四个未知数，故方程式可解。11∵由查表或将式级数展开可得：02320042222adyeyadyedyeayayay代入②式：aaay2124232，221ya……………⑤；同理得：221zb……………⑥12将①、⑤、⑥代入④中，得：yzzyzyzzyyzyzyuxAuxAzdeydeuxAdzedyexAudydzeexAuQzyzyzy2222222222222222222222其中：uQxAzy2……………………………⑦再将⑤、⑥、⑦代入①式得无界状况下，下风向任意位置的污染物浓度（g/m3）2222,,22exp2zyzyzyxzyuQC……………………⑧13三、高架连续点源扩散模式高架源既考虑到地面的影响，又考虑到高出地面一定高度的排放源。地面对污染物的影响很复杂，如果地面对污染物全部吸收，则⑧式仍适用于地面以上的大气，但根据假设④可认为地面就象镜子一样对污染物起全反射作用，按全反射原理，可用：“像源法”处理这类问题。可以把P点污染物浓度看成为两部分作用之和，一部分实源作用，一部分是虚源作用。见下页图：相当于位置在（0，0，H）的实源和位置在（0，0，-H）的像源，当不存在地面时在P点产生的浓度之和。（1）实源作用：由于坐标原点原选在地面上，现移到源高为H处，相当于原点上移H，即原式⑧中的Z在新坐标系中为（Z-H）,不考虑地面的影响，则：2222122exp2zyzyHzyuQC14实源虚源HHP(x,y,z)反射区Z+HZ-HZ有效源高H=Hs+△H15（2）像源作用：源高H，P点距像源产生的烟流中心线的距离为Z+H，则：2222222exp2zyzyHzyuQC（3）P点的实际浓度为两源作用之和：222222212exp2exp2exp2zzyzyHzHzyuQCCC即高架连续点源正态分布假设下的扩散模式。（4）高架连续点源正态分布下地面浓度扩散模式Z=0时即得地面浓度模式：22222exp2exp,0,,zyzyHyuQHyxC16（5）高架连续点源正态分布下地面轴线浓度模式222exp,0,0,zzyHuQHxC（6）高架连续点源正态分布下地面最大浓度模式及位置σy、σz是距离x的函数（而x是t的函数），且随x的增大而增大，在上式中zyuQ随x增大而减小，而222expzH随x的增大而增大，两项共同作用的结果必将在某一距离x上出现最大浓度Cmax。求最大浓度利用求极值的方法，即0dxdc，作一些近于实际的假设常数）(constzy，即σy、σz随x增加的倍数相同。17由02exp22zzyzzHuQddddc得yzeHuQC2max2且最大浓度出现于满足下列关系的下风处：222Hz2maxHXCXz则风速不变时，可导出2maxeuHQc18以上模式适用于气态污染物和粒径小于10μm的飘尘，对于大10μm的颗粒物，由于自身的沉降作用，浓度分布将有所改变。7、倾斜烟云模式在预测上述颗粒时，假设沉积和无沉积有相同的分布形式，但在整个烟云离开源以后，便以重力终端速度下降（ut）,此时，只要将高斯模式中有效源高H用())来置换即可得到倾斜烟云模式。5、地面连续点源扩散模式令H=0的地面连续点源扩散模式22222exp2expzyzyzyuQC可见地面源所造成的浓度为无界情况下浓度的2倍。6、地面源下风向地面轴向浓度当y=0，z=0，H=0得：zyxueQc0,0,0,uxuHt19222222,,,2exp2exp2exp2ztztyzyHzyxuxuHzuxuHzyuQCutt0xHuxt→20四、颗粒物扩散模式粒径小于15μm的颗粒物可按气体扩散计算大于15μm的颗粒物：倾斜烟流模式地面反射系数2222(1)(/)(,,0,)exp()exp[]222πtyzyzaqyHvxucxyHu2pp18tdgv21§3污染物浓度的估算一.烟气抬升高度的计算初始动量：速度、内径烟温度－浮力烟气抬升sHHHsHH――烟囱几何高度――抬升高度有效源高sHHHsHH――烟囱几何高度――抬升高度有效源高22一.烟气抬升高度的计算抬升高度计算式1.Holland公式：适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加10％～20％）Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下3ssaHs1(1.52.7)(1.59.610)svDTTHDvDQTuu23一、烟气抬升高度的计算抬升高度计算式（续）2.Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件H11/32/3sH11/32/3sH21000kW10=0.36210=1.55当时sQxHHQxuxHHQHuH11/31/3H3/52/5Hs6/53/53/5Hs21000kW3*=0.3623*=0.332*=0.33当时QxxHQxuxxHQHxQHu24一、烟气抬升高度的计算抬升高度计算式（续）3.我国“制订地方大气污染物排放标准的技术方法”(GB/T13201-91)中的公式12Hsa1nn0HsHaVasHH121sH12100kW()35K=0.351700kW2100kW1700=()4002(1.50.01)0.04=sQTTHnQHuTQPQTTTTQQHHHHvDQHu(1)当和时(2)当时HHsH1/43/8aH8(1700)1700kW35K2(1.50.01)=10m1.5m/sd=5.5(0.0098)dQuQTvDQHuTHQz(3)当或时(4)当高处的年平均风速小于或等于时25二、扩散参数的确定1、P－G曲线法P－G曲线Pasquill常规气象资料估算Gifford制成图表261.扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用根据常规资料确定稳定度级别271.扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用利用扩散曲线确定和yz281.扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用地面最大浓度估算Hmax|2czxxzH~zxmaxcx~yxmaxC由和由曲线（图4-5）反查出由曲线（图4-4）查由式（4-10）求出yHmax|2czxxzH~zxmaxcx~yxmaxC由和由曲线（图4-5）反查出由曲线（图4-4）查由式（4-10）求出y292.扩散参数的确定－中国国家标准规定的方法稳定度分类方法改进的P－T法太阳高度角（式4-29，地理纬度，倾角）辐射等级稳定度云量（加地面风速）302.扩散参数的确定－中国国家标准规定的方法扩散参数的选取扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表4-8查算）平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方