第六章煙流抬升高度

1、1第六章第六章煙流抬升高度煙流抬升高度2Q 源強 計算或?qū)崪y 平均風(fēng)速 多年的風(fēng)速資料 H 有效煙源高度 、 擴散參數(shù)uyz煙氣抬升高度的計算煙氣抬升高度的計算 有效源高有效源高h(yuǎn)抬升高度抬升高度hs煙囪幾何高度煙囪幾何高度222222()()( , ,)exp() expexp2222yzzyzQyzHzHq x y zu ；HsHhh2mzx xH(3.9a)(3.10a)yzmHueQq222mzx xH(3.9a)(3.10a)yzmHueQq223一、煙流抬升高度一、煙流抬升高度h(掌握掌握)實際應(yīng)用中，煙氣抬升有動力抬升因子動力抬升因子和熱力抬升因子熱力抬升因子。動力動力：煙氣排放

2、的出口速度。熱力熱力：煙氣溫度比環(huán)境氣溫高。 煙源條件和氣象條件不同，煙流抬升不同。 一般，煙氣抬升能將煙源的實際排放高度提高到210倍的煙囪高度，可使地面最大濃度降低3100倍。甚至發(fā)生煙流穿透進入空中穩(wěn)定層的情況下，地面最大濃度更小。1.煙流抬升的物理模型及影響因子煙流抬升的物理模型及影響因子連續(xù)點源的排放模型連續(xù)點源的排放模型4垂直煙流（無風(fēng)）垂直煙流（無風(fēng)）彎曲煙流（有風(fēng)）彎曲煙流（有風(fēng)） 噴出階段噴出階段 浮升階段浮升階段 瓦解階段瓦解階段 變平階段變平階段5抬升過程分為如下幾個階段抬升過程分為如下幾個階段(掌握掌握)6(1) 噴出階段噴出階段：煙氣在自身具有的初始動量(由出口速度由

3、出口速度提供)作用下垂直向上噴射。此時，內(nèi)部流動相對比較規(guī)則，邊緣上煙氣和周圍空氣的湍流交換尚未發(fā)展，因此煙流輪廓清晰煙流輪廓清晰，內(nèi)部基本維持原來狀態(tài)。隨著煙氣上升、煙流內(nèi)外空氣開始逐漸發(fā)生湍流混合(由由速度切變造成速度切變造成)，煙流體擴大并獲水平動量(由由源源高處風(fēng)速提供高處風(fēng)速提供)，煙流漸漸向水平下風(fēng)方彎曲。隨著水平動量增大，因初始動量而具有的上升速度減小，主導(dǎo)地位消失，動力抬升轉(zhuǎn)而由浮力作用取代成為主導(dǎo)因子。觀測表明，通常噴出階段是個短暫的階段，動力抬升一般維持至煙囪出口口徑的10倍左右水平距離的范圍。7(2) 浮升階段浮升階段：煙氣排放出煙囪口后，由于煙氣溫度與出口環(huán)煙氣排放出煙

4、囪口后，由于煙氣溫度與出口環(huán)境氣溫之差造成的浮力加速度的作用，由其造成的煙氣上升速境氣溫之差造成的浮力加速度的作用，由其造成的煙氣上升速度不久便超過動力上升速度并使煙流繼續(xù)上升而進入浮力抬升度不久便超過動力上升速度并使煙流繼續(xù)上升而進入浮力抬升階段階段。這時，煙流體增大，煙流內(nèi)外溫差和浮力繼續(xù)使煙流抬升，隨著煙流內(nèi)外的速度切變作用的加入，使更多的空氣參與混合，即煙流邊緣的卷夾過程加劇，產(chǎn)生邊緣湍流活動帶。盡管如此，在煙流抬升的這一階段，浮力抬升起主導(dǎo)作用，由速度切變造成的自生湍流是導(dǎo)致煙氣與周圍空氣混合的主要因素，環(huán)境湍流的作用還較弱。但持續(xù)的混合過程會使煙流體內(nèi)外的溫差不斷減小，上升速度減緩

5、，煙流開始趨向變平而轉(zhuǎn)入抬升升的下一階段。觀測表明，這一階段是熱煙流升的主要階段。8(3) 瓦解階段瓦解階段：至浮升階段的后期煙流上升速度逐漸減緩，至浮升階段的后期煙流上升速度逐漸減緩，由速度切變造成的自生湍流變得很弱由速度切變造成的自生湍流變得很弱。可是，另一方面，隨著煙流體的不斷增大，至相當(dāng)于大氣湍流的慣性次區(qū)湍渦尺度，越來越多的尺度與之相當(dāng)?shù)拇髿馔臏u參與混合，環(huán)境湍流的作用明顯增強并逐漸達到占主導(dǎo)優(yōu)勢的地步。當(dāng)煙流體增大到環(huán)境湍流含能湍渦尺度時，環(huán)境湍流的作用急劇增大，環(huán)境湍渦大量卷入煙流體，使其自身結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)瓦解，煙氣原先的動力抬升和熱力抬升的性質(zhì)消失，煙流的抬升基本停止。顯然，這

6、個階段通常也是較短的。9(4) 變平階段變平階段：以大氣中大湍渦為代表的環(huán)境湍流起主導(dǎo)作用。使煙流體繼續(xù)散開脹大，抬升完全停止，煙流漸漸變平。此時，煙流達終極拾升高度并以此計算實際的煙流抬升高度。分階段突出支配因子，可簡化下一步的理論處理。階段的劃分以觀測資料為依據(jù)，但一定程度上是人為作出的。實際過程復(fù)雜多變，不很典型。10大量觀測試驗(含現(xiàn)場觀測和室內(nèi)物理模擬試驗)結(jié)果表明，影響熱煙流抬升的基本因子影響熱煙流抬升的基本因子可歸納成以下三類:(1)排放源及排放煙氣的性質(zhì)排放源及排放煙氣的性質(zhì)。源排放煙氣的初始動量和浮力是決定其上升高度的基本因素。前者決定于煙氣出口速度W0和源出口半徑R0；后者

7、決定于煙氣密度和周圍環(huán)境空氣的密度差。若不計煙氣與空氣成分的差異，壓力相同情況下，密度差可以溫度差表示，于是有浮力加速度關(guān)系11(2)環(huán)境大氣的性質(zhì)環(huán)境大氣的性質(zhì):煙氣與周圍空氣混合的速率對煙流抬升的影響也十分重要?；旌嫌煜喈?dāng)于把煙氣的初始動量和熱量更快地分散給周圍空氣。(3)下墊面性質(zhì)下墊面性質(zhì)：首先是地形的影響，地面粗糙度地面粗糙度是影響湍流強弱的因素之一，粗糙地面上空湍流活躍，不利于煙流抬升。離地越高，地面粗糙度的影響減弱，有利于煙流抬升。另外，復(fù)復(fù)雜的地形，如坡、谷雜的地形，如坡、谷等會形成局部熱力狀況的特殊分布，從而影響煙流拾升。下墊面的建筑物和地形障礙物的空氣動力學(xué)效應(yīng)也會直接支

8、配姻流的抬升，這和煙源與障礙物的相對位置有關(guān)。由幾何模型分析可見，煙氣自出口排出后，形成煙流并經(jīng)歷初期的準(zhǔn)垂直形式，然后彎曲并擴大至瓦解變平，達到終極抬升高度并以此高度計算煙流抬升高度和有效源高。在這之前，煙流軸線離地面高度不斷變化，連成煙流抬升軌跡或煙流軌跡煙流抬升軌跡或煙流軌跡，常以z(x)z(x)表示。顯然，只有經(jīng)過相當(dāng)距離后，達到出現(xiàn)變平軌跡的離源距離上，才會有z(XT)H。這里的X XT T稱為終極抬升距終極抬升距離離。2 煙流抬升軌跡與終極抬升煙流抬升軌跡與終極抬升12煙氣排出煙氣排出準(zhǔn)垂直形式準(zhǔn)垂直形式彎曲并擴大彎曲并擴大瓦解變平瓦解變平 終極抬升高度終極抬升高度 煙流是由運動中

9、的流體構(gòu)成的，于是，大多數(shù)煙煙流是由運動中的流體構(gòu)成的，于是，大多數(shù)煙流抬升模式基于流體力學(xué)的基本定律，即質(zhì)量守恒，流抬升模式基于流體力學(xué)的基本定律，即質(zhì)量守恒，浮力守恒和動量守恒來考察煙流抬升問題，通過積浮力守恒和動量守恒來考察煙流抬升問題，通過積分這些守恒表達式分這些守恒表達式(在煙流的截面上積分在煙流的截面上積分)，以方便，以方便的形式來描述煙流軌跡。的形式來描述煙流軌跡。13（1） Holland公式（公式（1953）：適用于中性大氣條件）：適用于中性大氣條件（穩(wěn)定時減小，不穩(wěn)時增加（穩(wěn)定時減小，不穩(wěn)時增加1020） 14計算結(jié)果明顯低估計算結(jié)果明顯低估2-3倍倍二二 煙氣抬升高度的計

10、算煙氣抬升高度的計算5001(1.52.7)(1.54.1 10)saHsw dTThdw dQTuu d為排放源出口內(nèi)徑， 為煙源熱釋放率不穩(wěn)定： 增加10%-20%穩(wěn)定： 減少10%-20%HQh15Holland (1953年)公式，后經(jīng)美國機械工程師協(xié)會（ASME）修訂系數(shù)A,B類為1.15C類為 1E,F類為0.8516Moses & Carson公式uQcudwchH2/1201浮力抬升項動力抬升項與大氣穩(wěn)定度有關(guān)的系數(shù)TVA公式uFch3/111417Lucas公式uQhH4/124考慮環(huán)境湍流和煙源高：CONCAWE公式22ln)(37. 643. 0177. 4232

11、/100JJTuTTQguwQwuhaasaauQhhHs4/1)09. 05 .12(4/32/1175. 0uQhHBosanquet I 公式1)(28. 043. 002/12/102asaaaTTgTwgGTwQuJ18Briggs 自60年代后期至80年代初期的十幾年內(nèi)，建立了一套煙流抬升的理論體系，并且在主要利用大量火電廠浮升煙流觀測試驗資料的基礎(chǔ)上，發(fā)展完善其理論體系，引入了環(huán)境湍流影響機制并建立了相應(yīng)的處理模式。在所有這些工作的基礎(chǔ)上，給出各種情況下可供實用的抬升公式，成為迄今為止仍是應(yīng)用最廣泛的煙流拾升高度計算系統(tǒng)。實踐表明，它的這一體系主要適合于大熱源排放大熱源排放的浮升

12、煙流。（2）Briggs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 19H1 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QxxHQxuxxHQHxQHuQH:熱釋放率，單位時間，單位質(zhì)量煙氣升高熱釋放率，單位時間，單位質(zhì)量煙氣升高T度所釋度所釋放的熱量，單位放的熱量，單位cal/s。煙流抬升高度與煙囪高度有關(guān)，煙囪高情況下煙流抬升高度與煙囪高度有關(guān)，煙囪高情況下計算

13、保守，相反情況計算不安全計算保守，相反情況計算不安全（3）國家標(biāo)準(zhǔn)）國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T13201-91)中的公式中的公式 2012Hsa1 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 平 均 風(fēng) 速 小

14、 于 或 等 于時 因為對煙流抬升和地面濃度的計算，平因為對煙流抬升和地面濃度的計算，平均風(fēng)速都具有重要作用，所以在高斯擴散公均風(fēng)速都具有重要作用，所以在高斯擴散公式和煙流抬升高度計算公式中都有式和煙流抬升高度計算公式中都有平均風(fēng)速平均風(fēng)速。一般認(rèn)為這個量值應(yīng)該是整個煙流厚度范圍一般認(rèn)為這個量值應(yīng)該是整個煙流厚度范圍里各層風(fēng)速的平均值。實際工作中常采用源里各層風(fēng)速的平均值。實際工作中常采用源高處的平均風(fēng)速，或者也有采用有效源高處高處的平均風(fēng)速，或者也有采用有效源高處的平均風(fēng)速。的平均風(fēng)速。21222.最高地面濃度與臨界風(fēng)速由本章4.1的討論已知，高架源排放造成的地面濃度在離源一定距離 處出現(xiàn)最

15、大值 ，可由高斯擴散公式體系(3.9)和(3.10)式確定這個最高濃度。由上兩式清楚可見，有效源高或者煙流抬升高度的作用。另一方面，由于平均風(fēng)速對煙流抬升的直接影響，亦會影響到地面濃度的分布。mxmq2mzx xH(3.9a)(3.10a)yzmHueQq2223平均風(fēng)速具有雙重影響風(fēng)速加大會增強對空氣污染物的稀釋速率，降低地面濃度；風(fēng)速的加大又會降低煙流拾升高度，從而相當(dāng)于降低有效源高，增加地面濃度，這正是效果相反的雙重作用。這正是效果相反的雙重作用。地面最高濃度（地面最高濃度（MGC）對應(yīng)的臨界風(fēng)速對應(yīng)的臨界風(fēng)速這里的臨界或危險的意義都是指可能出現(xiàn)極大的地這里的臨界或危險的意義都是指可能出

16、現(xiàn)極大的地面污染物濃度而言的面污染物濃度而言的cu24大多數(shù)煙流公式中有 的關(guān)系，可以定義：Bhu 1hu (3.142)B為與風(fēng)速無關(guān)的常數(shù)。代入（3.10）可得(3.143)22221()()()zmysssQAuqABBeh uBhuu huu 25為求臨界風(fēng)速，對上式求導(dǎo)得(3.144)23()0()()msssdqBh udAuAduduh uBh uB式中0,()0()0ssAh uBBh u可得csBuuh26代入（3.143）可得最大濃度(3.145)m absq42zm absssyQAqBhehB由上述討論可知，當(dāng)存在有煙流抬升時，地面最大濃度不再是隨風(fēng)速的增大而單調(diào)減低的

17、，而是先隨風(fēng)速的增大而增高，至風(fēng)速達到臨界風(fēng)速時， 達極大值，稱為絕對最大濃度 然后，濃度再漸漸降低。mqm absq27因為對煙流抬升和地面濃度的計算，平均風(fēng)速都具有重要作用，所以在高斯擴散公式和煙流抬升高度計算公式中都有平均風(fēng)速平均風(fēng)速。一般認(rèn)為這個量值應(yīng)該是整個煙流厚度范圍里各層風(fēng)速整個煙流厚度范圍里各層風(fēng)速的平均值的平均值。實際工作中常采用源高處的平均風(fēng)源高處的平均風(fēng)速速，或者也有采用有效源高處的平均風(fēng)速。28常用地面風(fēng)速資料推算要求高度處的風(fēng)速(3.146)10()10mzzuu293.高架穩(wěn)定層及穿透處理30任意給定高架逆溫層，高度在煙囪頂以上Zi處，逆溫層位溫跳變?yōu)?。由逆溫強度

18、造成的浮力加速度為 。如果煙流穿透逆溫層，其浮力通量減小 于是，可以認(rèn)為，如果煙流浮力通量 則將會發(fā)生煙流穿透逆溫層的過程。i()iag()iiagV()iiaFgV31Briggs(1982) 提出滿足以下條件時，可預(yù)期發(fā)生逆溫層穿透：2/53/50101/21/204.9()6.2()2.5iiaiiaiiazFgFzgMFzug(3.147a)垂直浮力(3.147b)垂直動力(3.147c)彎曲浮力32Briggs以火電廠觀測資料檢驗，結(jié)果相當(dāng)一致。Briggs認(rèn)為，如果煙流的終極抬升 落在煙囪上方逆溫層高度 的2倍范圍內(nèi)的話，只有一部分 (成數(shù)p)煙流可能穿透逆溫層。于是他提出確定穿透部分(成數(shù))的公式為(3.148)hiz1.5izph可見，煙流被逆溫層底反射向下散布的部分為(1-p)33當(dāng) 煙流在混合層上，全穿透當(dāng) 煙流全在混合層內(nèi)，封閉當(dāng) 部分穿透。12iphz 時，01.5izph 時，01p34另一方案（Weil,Brow