高斯扩散模式-大气污染控制工程

1第四章大气污染物扩散模式高斯扩散模式、污染物浓度的估算方法、特殊气象条件下的扩散模式、烟囱高度设计、厂址选择2第一节湍流扩散的基本理论湍流——大气的无规则运动热力湍流：温度垂直分布不均匀（大气稳定度）机械湍流：风速垂直分布不均匀及地面粗糙度扩散的要素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3湍流扩散理论梯度输送理论、湍流统计理论1.梯度输送理论研究方法：利用欧拉提出的方法，在充满流体的空间固定多个点，测量各固定点上的各个参数的变化。理论基础：质量守恒定律，把扩散类似分子扩散，脉动值用平均值代替。4湍流扩散理论2.湍流统计理论研究方法：拉格朗日方法，空间有一微团，跟随微团流动时各个流动点的规律。理论基础：解决扩散参数时用二元相关理论：方差、概率。泰勒－图4-1，正态分布萨顿实用模式高斯模式5第二节高斯扩散模式一、高斯扩散模式6一、高斯扩散模式高斯模式的有关假定四点假设1．污染物浓度在y、z风向上都是正态分布2．整个扩散空间内，风速均匀不变3．源强是连续、均匀的4．扩散中污染物的质量是守恒的7二、无界空间连续点源扩散模式由正态分布的假定（1）可以写出下风向任一点（x,y,z）的污染物平均浓度的分布函数：（4-1）由概率统计理论可以写出方差的表达式：（4-2）由假定（4）可以写出源强的积分式：（4-3）8二、无界空间连续点源扩散模式将式（4-1）代入式（4-2），积分后得(4-4)将式（4-1）和（4-4）代入式（4-3），积分后得(4-5)再将式（4-4）和（4-5）代入式（4-1）中，便得到无界空间连点源扩散的高斯模式：9三、高架连续点源扩散模式镜像全反射----像源法10镜像全反射----像源法实源：像源：(,,,)cxyzHz(,,,)cxyzHz2222()(,,,)exp[()]222πyyyzqyzHcxyzHu实源的贡献2222()(,,,)exp[()]222πyyyzqyzHcxyzHu实源的贡献2222()(,,,)exp[()]222πyzyzqyzHcxyzHu像源的贡献2222()(,,,)exp[()]222πyzyzqyzHcxyzHu像源的贡献222222()()(,,,)exp(){exp[]exp[]}2222πyyzyzqyzHzHcxyzHu实际浓度222222()()(,,,)exp(){exp[]exp[]}2222πyyzyzqyzHzHcxyzHu实际浓度11三、高架连续点源扩散模式实源虚源HHP(x,y,z)反射区Z+HZ-HZ有效源高H=Hs+△H镜像全反射----像源法12三、高架连续点源扩散模式、--污染物在y、z方向分布的标准差，m；ρ--任一点处污染物的浓度，g/m3；--平均风速，m/s；H--有效源高，mQ--源强，g/s13四、地面最大浓度模式2222(,,0,)exp()exp()22πyzyzqyHcxyHu地面浓度模式：取z＝0代入上式，得2222(,,0,)exp()exp()22πyzyzqyHcxyHu地面浓度模式：取z＝0代入上式，得22(,0,0,)exp()2πzyzqHcxHu地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式22(,0,0,)exp()2πzyzqHcxHu地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式14四、地面最大浓度模式220),0,0,(max2maxHeHuQCdHxdcconstcxxzyzzzy设)exp(),0,0,(22zzyHuQHxC考虑地面轴线浓度模式:随X增大,前一项减小,后一项增大,必然某一X处出现最大值.地面最大浓度模式：15四、地面连续点源扩散模式由高架连续点源模式，令其有效源高H=0而得，即:16五、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2222(1)(/)(,,0,)exp()exp[]222πtyzyzaqyHvxucxyHu2pp18tdgva——颗粒的地面反射系数vt——颗粒的沉降速度17例题4-1、习题4-3利用高斯模式计算地面轴线浓度。18第三节污染物浓度的估算q源强计算或实测平均风速多年的风速资料H有效烟囱高度？、扩散参数？uyz19一、烟气抬升高度的计算sHHHsHH――烟囱几何高度――抬升高度有效源高sHHHsHH――烟囱几何高度――抬升高度有效源高初始动量：速度、内径烟温度－浮力烟气抬升20一、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误差比较大。3ssaHs1(1.52.7)(1.59.610)svDTTHDvDQTuu21一、烟气抬升高度的计算（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QxxHQxuxxHQHxQHu22一、烟气抬升高度的计算（3）我国“制订地方大气污染物排放标准的技术法”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23例题4-1计算烟气抬升高度24二、扩散参数的确定P－G曲线法Pasquill常规气象资料估算、Gifford制成图表)......~稳定度级、曲线（六条）（对应FBAz251.P－G曲线法的应用P－G曲线根据常规资料确定稳定度级别261.P－G曲线法的应用利用扩散曲线确定和yz271.P－G曲线法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H———σz———X———σy———Cmax式4-11图4-5图4-4式4-1028例题4-3计算地面最大浓度.292.中国国家标准规定的方法（１）稳定度分类方法太阳高度角（式4-29）辐射等级稳定度云量地面风速302.中国国家标准规定的方法（２）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向不稳定方向提半级工业区和城市中心区，C、D、E、F向不稳定方向提一级丘陵山区的农村或城市，同工业区取样时间大于0.5h，不变，1221,aayzxx2121()qyyz例：在C级大气稳定条件下,求高架点源下风向800米处的扩散参数.31第四节特殊气象条件下的扩散模式主要指气象条件与高斯模式不一样（温度层结构均一，实际中难以实现）封闭型扩散模式22(2)exp[]2πzyzqHnDCu32封闭型扩散模式计算简化：1.当（尚未到封闭阶段）（烟流半宽度）查P－G曲线4-9式计算地面轴线浓度Dxx2.15zDHDx1.当（尚未到封闭阶段）（烟流半宽度）查P－G曲线4-9式计算地面轴线浓度Dxx2.15zDHDx011d1DzDD2.当，z向浓度混合均匀，z分布函数为D2xx22(,)exp()22πyyqycxyuD011d1DzDD2.当，z向浓度混合均匀，z分布函数为D2xx22(,)exp()22πyyqycxyuD2.当，z向浓度混合均匀，z分布函数为D2xx22(,)exp()22πyyqycxyuDDD2xxx3.DxxD2xx内插（假定变化为线性），按z值插值DD2xxx3.DxxD2xx内插（假定变化为线性），按z值插值33例4-5封闭型扩散模式的计算34熏烟型扩散模式假设：D换成hf（垂向均匀分布）；q只包括进入混合层部分，则仍可用上面公式22211exp()d22π(,,0,)exp(),()/22πpFfzyffyfqPPyxyHPhHuh2.15152.158oyyfyHtgH35熏烟型扩散模式hf=H36例4-6熏烟型扩散模式的计算37#第五节城市及山区扩散模式城市大气扩散模式1.线源扩散模式无限长线源风向和线源不垂直时（交角45o）22L2(,,0,)exp()exp()d22πzyyzqHyxyHyu2L22(,0,0,)exp()22πsinzzqHxHu无限长线源风向和线源不垂直时（交角45o）22L2(,,0,)exp()exp()d22πzyyzqHyxyHyu2L22(,0,0,)exp()22πsinzzqHxHu2122L21(,0,0,)exp()exp()d222π2πPPzzqHPxHPu有限长线源2122L21(,0,0,)exp()exp()d222π2πPPzzqHPxHPu有限长线源38城市大气扩散模式2.面源扩散模式大气排放规范里规定条件：烟囱高40m；单个排放量0.04t/hqxuD1niiqxuD箱模式：假定污染物浓度在混合层内均匀分布（划分为更小的面源单元）qxuD1niiqxuD箱模式：假定污染物浓度在混合层内均匀分布（划分为更小的面源单元）简化为点源的面源模式简化为点源的面源模式39城市大气扩散模式简化为点源的面源扩散模式（续）形心上风向距x0处有一虚拟点源，其烟流在形心处宽度正好与正方形宽度相等烟流宽度：中心线到浓度为中心处距离的两倍（正态分布：）确定、之后即可按点源计算面源浓度0024.30yy0yx0zx12222200000001/1/000121(,,0,)exp{[]}2()()π()(),4.32.15(),()yyzzyyzzyzyzyzqyHxyHuWHxx40山区扩散模式山区流场由于受到复杂地形的热力和动力因子影响，流场均匀和定常的假定难以成立对风向稳定、研究尺度不大、地形较为开阔及起伏不大的地区，浓度基本上遵循正态分布规律，只是扩散参数比平原地区大很多41山区扩散模式NOAA和EPA模式NOAA－以高斯模式为基础，对有效源高进行修正EPA－与NOAA相似，只是对所有稳定度级别都进行了地形高度修正ERT模式高斯模式，只对有效源高进行修正42第六节烟囱高度的设计一、烟囱高度的计算要求：（1）达到稀释扩散的作用（2）造价最低，造价正比于H2（3）地面浓度不超标43一、烟囱高度的计算1、按地面最大浓度计算HCCueQHCCCHcueQHyzbAbyzA2/1010max2/1max1)(2244