空氣污染控制工程第4章45u6ihnjg

第四章大氣擴散濃度估算模式第一節(jié)湍流擴散地基本理論第二節(jié)高斯擴散模式第三節(jié)污染物濃度地估算第四節(jié)特殊氣象條件下地擴散模式第五節(jié)城市及山區(qū)地擴散模式第六節(jié)煙囪高度的計算第七節(jié)廠址的選擇1、教學要求要求了解湍流擴散的基本理論，理解和掌握高斯擴散模式、煙囪高度的設計和廠址的選擇。2、教學重點掌握影響污染物稀釋擴散法控制的有關條件；污染物濃度估算的高斯模式，煙囪高度的設計方法。3、教學難點污染物稀釋擴散法控制，污染物濃度估算的高斯模式。第一節(jié)湍流擴散的基本理論1.1湍流概念的簡介★大氣的無規(guī)則運動稱為大氣湍流?！锇凑胀牧餍纬傻脑蚩煞譃閮煞N湍流：●由于垂直方向溫度分部不均勻引起的熱力湍流，其強度主要取決于大氣穩(wěn)定度；●由于垂直方向風速分布不均勻及地面粗糙度引起的機械湍流，其強度主要決定于風速梯度和地面粗糙度。實際湍流是上述兩種湍流的疊加?！锿牧饔袠O強的擴散能力，比分子擴散快105—106倍?！锟偨Y：風速越大，湍流越強，污染物擴散速度越快，污染物的濃度越低。風和湍流是污染物在大氣擴散的最直接和最本質的因素，其它氣象要素都是通過二者來影響擴散的。第四章大氣擴散濃度估算模式1.2湍流擴散理論簡介大氣擴散的基本問題，是研究湍流與煙流傳播和物質濃度衰減的關系問題。目前處理這類問題有三種廣泛應用的理論：1)梯度輸送理論；2)湍流統(tǒng)計理論；3)相似理論★梯度輸送理論梯度輸送理論是通過與菲克擴散理論的類比而建立起來的。菲克認為分子擴散的規(guī)律與傅立葉提出的固體中的熱傳導的規(guī)律類似，皆可用相同的數(shù)學方程式描述。該理論進一步假定，由大氣湍流引起的某物質的擴散，類似于分子擴散，并可用同樣的分子擴散方程描述。但由于邊界條件往往很復雜，不能求出嚴格的分析解，只能是在特定的條件下求出近似解，再根據(jù)實際情況進行修正。第四章大氣擴散濃度估算模式第一節(jié)湍流擴散的基本理論★湍流統(tǒng)計理論

泰勒首先應用統(tǒng)計學方法研究湍流擴散問題，是湍流統(tǒng)計理論的創(chuàng)始人之一，他在1921年發(fā)表的論文中，首先應用統(tǒng)計學的方法來研究湍流擴散問題，提出了著名的泰勒公式。它把描寫湍流的擴散參數(shù)Y2(t)，和另一統(tǒng)計特征量相關系數(shù)R建立起關系，只要能找到相關系數(shù)的具體函數(shù)，通過積分就可求出擴散參數(shù)Y2(t)，污染物在湍流中擴散問題就得到解決。假定大氣湍流場是均勻的、定常的，從原點放出的一個粒子的位置用y表示，則y隨時間而變化，但其平均值為零。如果從原點放出很多粒子，則在x軸上粒子的濃度最高，濃度的分布以x軸為對稱軸，并符合正態(tài)分布。見圖薩頓首先應用泰勒公式，提出了解決污染物在大氣中擴散的實用模式。高斯在大量實測資料分析的基礎上，應用湍流統(tǒng)計理論得到了正態(tài)分布假設下的擴散模式，即通常所說的高斯模式。第四章大氣擴散濃度估算模式第一節(jié)湍流擴散的基本理論★湍流統(tǒng)計理論第四章大氣擴散濃度估算模式★相似擴散理論湍流相似擴散理論，最早始于英國科學家里查森和泰勒。后來由于許多科學家的努力，特別是俄國科學家的貢獻，使湍流擴散相似理論得到很大發(fā)展。湍流擴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成，大湍渦失去穩(wěn)定分裂成小湍渦，同時發(fā)生了能量轉移，這一過程一直進行到最小的湍渦轉化為熱能為止。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)，再找出普適函數(shù)的具體表達式，從而解決湍流擴散問題。我們把這種理論稱為相似擴散理論。第四章大氣擴散濃度估算模式第一節(jié)湍流擴散的基本理論2.1高斯擴散模式的有關假設

高斯模式的坐標系為右手坐標系。1.坐標系其原點為排放點（無界點源或地面源）或高架源排放點在地面的投影點，x軸正向為平均風向y軸在水平面上垂直于x軸，正向在x軸的左側z軸垂直于水平面xoy，向上為正向第二節(jié)高斯擴散模式第四章大氣擴散濃度估算模式第二節(jié)高斯擴散模式第四章大氣擴散濃度估算模式大氣擴散模型發(fā)展簡史及簡介

2.高斯模式的四點假設:

大量的實驗和理論研究證明，特別是對于連續(xù)源的平均煙流，其濃度分布是符合正態(tài)分布的。因此我們可以作如下假定：(1)污染物濃度在y、z軸上的分布符合高斯分布（正態(tài)分布）；(2)在全部空間中風速是均勻的、穩(wěn)定的；(3)源強是連續(xù)均勻的；

(4)在擴散過程中污染物質量是守恒的。

第四章大氣擴散濃度估算模式第四章大氣擴散濃度估算模式第二節(jié)高斯擴散模式2.2無界空間連續(xù)點源擴散模式：

2.3高架連續(xù)點源擴散模式

實際的污染物排放源多位于地面或接近地面的大氣邊界層內(nèi)，污染物在大氣中的擴散必然會受到地面的影響，這種大氣擴散稱為有界大氣擴散。所以在建立大氣擴散模式時，必須考慮地面的影響。根據(jù)前述假定(4)污染物在擴散中質量守恒，即污染物在擴散過程即不增加也不減少。

根據(jù)無界空間點源擴散的高斯模式，可以推導出高架連續(xù)點源在正態(tài)分布假設下的高斯擴散模式。如圖所示，我們可以把P點污染物濃度看成是實源貢獻和像源貢獻之和?！飳嵲簇暙I

★像源貢獻

所以P點的實際污染物濃度應為實源和像源貢獻之和第四章大氣擴散濃度估算模式源強，g/s污染物在y、z方向分布的標準差，m有效源高，m任一點處污染物的濃度，g/m3平均風速，m/s高架連續(xù)點源擴散模式第四章大氣擴散濃度估算模式

由此模式可以求出下風向任一點的污染物濃度。下面介紹幾種常用的大氣擴散模式：

(1)地面濃度模式；z=0(2)地面軸線濃度模式；y＝0，z＝0(3)地面最大濃度模式；第四章大氣擴散濃度估算模式第二節(jié)高斯擴散模式第四章大氣擴散濃度估算模式第二節(jié)高斯擴散模式2.3高架連續(xù)點源擴散模式：●地面濃度模式主講：李廣科博士第四章大氣擴散濃度估算模式第二節(jié)高斯擴散模式2.3高架連續(xù)點源擴散模式：●地面軸線濃度模式主講：李廣科博士第四章大氣擴散濃度估算模式2.3高架連續(xù)點源擴散模式：●地面軸線最大濃度模式主講：李廣科博士第二節(jié)高斯擴散模式第四章大氣擴散濃度估算模式2.4地面連續(xù)點源擴散模式：第二節(jié)高斯擴散模式20

粒徑小于15μm的顆粒物可按氣體擴散計算大于15μm的顆粒物：傾斜煙流模式2.5顆粒物擴散模式：

第四章大氣擴散濃度估算模式第二節(jié)高斯擴散模式第四章大氣擴散濃度估算模式第三節(jié)污染物濃度的估算3.1煙氣抬升高度的計算：

H=Hs+△H

煙氣抬升原因：初始動量，煙溫高于周圍氣溫產(chǎn)生的浮力●Holland公式●Briggs公式●中國國家標準中規(guī)定的公式223.1煙氣抬升高度的計算1.Holland公式：適用于中性大氣條件（穩(wěn)定時減小，不穩(wěn)時增加10％～20％）Holland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強的情況下第四章大氣擴散濃度估算模式第二節(jié)高斯擴散模式232.Briggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件

第四章大氣擴散濃度估算模式第二節(jié)高斯擴散模式3.1煙氣抬升高度的計算24

3.我國“制訂地方大氣污染物排放標準的技術方法”中的公式

第四章大氣擴散濃度估算模式第二節(jié)高斯擴散模式3.1煙氣抬升高度的計算第四章大氣擴散濃度估算模式第三節(jié)污染物濃度的估算3.2擴散參數(shù)的確定擴散參數(shù)σyσz的確定可以現(xiàn)場測定，也可以風洞模擬試驗確定，還可以根據(jù)實測和試驗數(shù)據(jù)歸納出來的經(jīng)驗公式或圖標來估算。

●P-G擴散曲線法●中國國家標準中規(guī)定的方法

①太陽傾角＋經(jīng)緯度＋觀察時間→太陽高度角②太陽高度角＋云量→太陽輻射等級③太陽輻射等級＋地面風速→大氣穩(wěn)定度④大氣穩(wěn)定度＋下風向距離x→查表求得σyσz

。主講：李廣科博士263.2擴散參數(shù)的確定P－G曲線法方法要點：據(jù)太陽輻射情況和風速將大氣分為A-F六個穩(wěn)定度級 別—>用曲線表示每一個穩(wěn)定度級別的和隨下風距離的變化。P－G曲線的應用根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別（表4-3）利用擴散曲線確定和（圖4-4，圖4-5）地面最大濃度估算第四章大氣擴散濃度估算模式第四章大氣擴散濃度估算模式第四節(jié)特殊氣象條件下的擴散模式4.1封閉型擴散模式簡化計算的三種情況：●當x≤xD可按一般擴散模式計算●當x≥2xDz向濃度分布均勻，但是y向濃度仍為正態(tài)分布●當xD

＜x＜2xD

內(nèi)插值主講：李廣科博士第四章大氣擴散濃度估算模式第四節(jié)特殊氣象條件下的擴散模式4.2熏煙型擴散模式簡化計算的三種情況：●當hf＝H時：一半向下混合，一半在穩(wěn)定大氣中●當hf＝H＋2σz：煙流全部向下混合，地面熏煙濃度達到最大●當hf＞H＋2σz：全部處于不穩(wěn)定大氣中，熏煙過程不復存在主講：李廣科博士第四章大氣擴散濃度估算模式第五節(jié)城市及山區(qū)的擴散模式5.1城市大氣擴散模式●線源擴散模式：無限長線源擴散模式有限長線源擴散模式●面源擴散模式：箱模式簡化為點源的面源模式窄煙流模式30一、城市大氣擴散模式1.線源擴散模式第四章大氣擴散濃度估算模式第五節(jié)城市及山區(qū)的擴散模式312.面源擴散模式大氣排放規(guī)范里規(guī)定條件：煙囪高40m；單個排放量<0.04t/h■簡化為點源的面源模式第四章大氣擴散濃度估算模式第五節(jié)城市及山區(qū)的擴散模式322.面源擴散模式■窄煙流模式某點的污染物濃度主要取決于上風向面單元的源強，上風向兩側單元對其影響很小某點的污染物濃度主要由它所在的面單元的源強決定第四章大氣擴散濃度估算模式第五節(jié)城市及山區(qū)的擴散模式第四章大氣擴散濃度估算模式5.2山區(qū)擴散模式適用于山谷地區(qū)的大氣擴散模式：●封閉山谷中的擴散模式：●NOAA和EPA模式●ERT模式

山區(qū)流場由于受到復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。 對風向穩(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，只是擴散參數(shù)比平原地區(qū)大很多。第五節(jié)城市及山區(qū)的擴散模式34ERT模式高斯模式，只對有效源高進行修正NOAA和EPA模式NOAA－以高斯模式為基礎，對有效源高進行修正EPA－與NOAA相似，只是對所有穩(wěn)定度級別都進行了地形高度修正第四章大氣擴散濃度估算模式第五節(jié)城市及山區(qū)的擴散模式5.2山區(qū)擴散模式第四章大氣擴散濃度估算模式第六節(jié)煙囪高度的設計6.1煙囪高度的計算原則:既要滿足大氣污染物的擴散稀釋要求，又要考慮節(jié)省投資，最終目的是保證地面濃度不超標。計算方法：煙囪高度計算目前應用最普遍的是高斯模式的簡化公式?！癜吹孛孀畲鬂舛鹊挠嬎惴椒ā癜吹孛娼^對最大濃度的計算方法●按一定保證率的計算方法●P值法第四章大氣擴散濃度估算模式第六節(jié)煙囪高度的設計6.2煙囪設計中的幾個問題●在選用擴散模式時，要充分考慮擴散范圍內(nèi)的溫度層結?！襁x用抬升公式的應用條件與設計條件相近的抬升公式，一般情況下，應優(yōu)先采用國家標準推薦的公式●煙囪高度不得低于所從屬建筑物高度的2倍；出口煙氣流速不得低于該高度處平均風速的1.5倍，20-30m/s；排煙溫度100℃以上；集合（多管）煙囪，以增大抬升高度主講：李廣科博士第四章大氣擴散濃度估算模式第七節(jié)煙囪高度的設計7.1廠址選擇中所需要的氣象資料●風向和風速的氣候資料。●大氣穩(wěn)定度的氣候資料●混合層高度的確定7.2長期平均濃度的估算●長期平均濃度計算公式