大气污染控制工程课件 第4章

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1、1 1第四章第四章 大气扩散浓度估算模式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 2第第4 4章章 大气扩散浓度估算模式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。3 311湍流扩散的基本理论湍流扩散的基本理论 一、湍流概念简介 扩散的

2、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105106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4 4二、湍流扩散理论简介二、湍流扩散理论简介 主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系 1.梯度输送理论 德国科学家菲克，在1855年发表了一篇题为

3、“论扩散”的著名 论文。在这篇论文中，他首先提出了梯度扩散理论。他把这 个理论表述为：“假定食盐在其溶剂中的扩散定律与在导体中 发生的热扩散相同，是十分自然的。” 通过泰勒（G.I.Tayler）与菲克（A. Fick）扩散理论的类比 建立起来的。菲克认为分子扩散的规律与傅立叶提出的固体 中的热传导的规律类似，皆可用相同的数学方程式描述。 湍流梯度输送理论进一步假定，由大气湍流引起的某物质的 扩散，类似于分子扩散，并可用同样的分子扩散方程描述。 为了求得各种条件下某污染物的时、空分布，必须对分子扩 散方程在进行扩散的大气湍流场的边界条件下求解。然而由 于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解

4、，只能在特 定的条件下求出近似解，再根据实际情况修正。 5 5二、湍流扩散理论简介二、湍流扩散理论简介 2.湍流统计理论： 泰勒(GITayler)首先应用统计学方法研究湍流扩散 问题，并于1921年提出了著名的泰勒公式。湍流统计 理论假定：流体中的微粒与连续流体一样，呈连续运 动，微粒在进行传输和扩散时，不发生化学和生物学 反应；微粒的大小和质量不计，并将微粒运动看作是 相对于一定空间发生的。 图4-1表示从污染源释放出的粒子，在风沿着x方向吹 的湍流大气中扩散的情况。假定大气湍流场是均匀、 稳定的。从原点释放出的一个粒子的位置用y表示，则 y随时间而变化，但其平均值为零。如果从原点放出很

5、多粒子，则在x轴上粒子的浓度最高，浓度分布以x轴 为对称轴，并符合正态分布。 6 6图4-1由湍流引起的扩散 7 73. 3.相似理论相似理论 湍流相似扩散理论，最早始于英国科学家里查森和泰 勒。后来由于许多科学家的努力，特别是俄国科学家 的贡献，使湍流扩散相似理论得到很大发展。 湍流扩散相似理论的基本观点是，湍流由许多大小不 同的湍涡所构成，大湍涡失去稳定分裂成小湍涡，同 时发生了能量转移，这一过程一直进行到最小的湍涡 转化为热能为止。从这一基本观点出发，利用量纲分 析的理论，建立起某种统计物理量的普适函数，再找 出普适函数的具体表达式，从而解决湍流扩散问题。 我们把这种理论称为相似扩散理论

6、。 利用这些理论进行研究时，常采用数值分析法、现场 研究法和实验室模拟研究法三种方法。理论和方法的 运用不可分割，应该将它们很好地结合在一起，得出 与实际大气污染扩散相符合的计算模式。8 89 9大气湍流与污染物的扩散大气湍流与污染物的扩散 图a表示烟团在比它尺度小的湍涡作用下，一 边随风迁移，一边受到湍涡的搅扰，边缘不断 与周围空气混合，体积缓慢地膨胀，烟团内部 的浓度也不断地降低。 图8.3b表示烟团受到大尺度湍涡的作用。这时 烟团主要被湍涡所挟带，本身增长不大。 图8.3c表示烟团受到大小尺度相当的湍涡扯动 变形，这是一种最强的扩散过程。 在实际大气中同时存在着各种不同大小的湍涡 ，扩散

7、过程是上述几种过程共同完成的。10102 2高斯扩散模式高斯扩散模式一、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方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） 1111高斯扩散模式坐标系高斯扩散模式坐标系 高斯扩散模式的坐标系1212二、无界空间连续

8、点源扩散模式二、无界空间连续点源扩散模式1313上式中： 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：（）瞬时点源的源强以一次释放的总量表示；（）连续点源以单位时间的释放量表示；（）连续线源以单位时间单位长度的排放量表示；（）连续面源以单位时间单位面积的排放量表示。y水平（横向）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；z铅直（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、组成一方程组，四个方程式有四个未知数， 故方程式可解。1414

9、15151616三、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，则式仍适用于地面以上的大气，但根据 假设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，即原式中的Z在新坐标系中 为（Z-H）

10、,不考虑地面的影响，则： 17171818191920202121以上模式适用于气态污染物和粒径小于10m的飘尘，对于大10m 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。 22222323四、颗粒物扩散模式四、颗粒物扩散模式 粒径小于15m的颗粒物可按气体扩散计算 大于15m的颗粒物：倾斜烟流模式地面反射系数24243 3污染物浓度的估算污染物浓度的估算 q 源强 计算或实测 平均风速

11、 多年的风速资料 H 有效烟囱高度 、 扩散参数一.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2525一一. .烟气抬升高度的计算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1020）Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的 情况下2626一、烟气抬升高度的计算一、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2727一、烟气抬升高度的计算一、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/T132

12、01-91)中的公式 282829293030二、扩散参数的确定二、扩散参数的确定 PG曲线法 PG曲线Pasquill常规气象资料估算 Gifford制成图表3131 a稳定度级别中，A为强不稳定，B为不稳定，C为弱不 稳定，D为中性，E为较稳定，F为稳定； b稳定度级别AB表示按A、B级的数据内插； c夜间定义为日落前一小时至日出后一小时； d不论何种天气状况，夜间前后各一小时算作中性，即 D级稳定度； e强太阳辐射对应于碧空下的太阳高度角大于60 。的条 件；弱太阳辐射相当于碧空下太阳高度角为15。35。 在中纬度地区，仲夏晴天的中午为强太阳辐射，寒冬晴 天中午为弱太阳辐射。云量将减少太

13、阳辐射，云量应与 太阳高度一起考虑。例如，在碧空下应是强太阳辐射， 在有碎中云(云量610到910)时，要减到中等太阳辐 射，在碎低云时减到弱辐射； 32321.1.扩散参数的确定扩散参数的确定P PGG曲线法曲线法 PG曲线的应用 根据常规资料确定稳定度级别33331.1.扩散参数的确定扩散参数的确定P PGG曲线法曲线法 PG曲线的应用 利用扩散曲线确定 和34341.1.扩散参数的确定扩散参数的确定P PGG曲线法曲线法 PG曲线的应用 地面最大浓度估算3535 例42某石油精炼厂自平均有效源高60 m处排 放的SO2量为80 gs，有效源高处的平均风速 为6 ms，试估算冬季阴天正下风

14、向距离烟囱 500 m处地面上的SO2浓度。 解：在阴天大气条件下，稳定度为D级，由表4 4查得，在x=500 m处，y =35.3 m， z=18.1 m。把数据代人式(49)中得到 36362.2.扩散参数的确定中国国家标准规定扩散参数的确定中国国家标准规定 的方法的方法 稳定度分类方法 改进的PT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） 37372.2.扩散参数的确定中国国家标准规定扩散参数的确定中国国家标准规定 的方法的方法 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向不稳定方向提

15、半级 工业区和城市中心区，C提至B级，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，383839394040 例43 在例41的条件下，当烟气排出的SO2速 率为150 gs时，试计算阴天的白天SO2的最大 着地浓度及其出现的距离。 解：(1)确定大气稳定度：根据题设，阴天的白天 为D级。根据扩散参数的选取方法，城区中的点 源，D级向不稳定方向提一级，则应为C级。 (2)计算最大着地浓度：由例41计算结果，有效 源高H=304.9 m，由式(411)求得出现最大着地 浓度时的垂直扩散参数： 41414242 例44 某工厂位于城市远郊区，锅炉烟囱高 度为85 m，出口内径4 m，烟气出口温度 140，烟气流量为244 800 m3/h，SO2排放 率为50 gs。烟囱出口高度处平均风速为 4.0m /s，当地大气压力为813 hPa，环境气温 为20。试计算7月1