第04章-大气污染扩散模型-环境保护概论课件.ppt
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- 04 大气污染 扩散 模型 环境保护 概论 课件
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1、1.湍流扩散的基本理论湍流扩散的基本理论2.高斯扩散模式高斯扩散模式3.污染物浓度的估算方法污染物浓度的估算方法4.特殊气象条件下的扩散模式特殊气象条件下的扩散模式5.城市及山区的扩散模式城市及山区的扩散模式6.烟囱高度设计烟囱高度设计掌握大气扩散的理论和扩散模式掌握大气扩散的理论和扩散模式学会估算污染物浓度、烟气抬升高度学会估算污染物浓度、烟气抬升高度确定烟囱高度确定烟囱高度湍流的基本概念湍流的基本概念 n 湍流湍流大气的无规则运动大气的无规则运动 w风速的脉动风速的脉动w风向的摆动风向的摆动起因与两种形式起因与两种形式 n热力:温度垂直分布不均(不稳定)热力:温度垂直分布不均(不稳定)n机
2、械:垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度机械:垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度a,大气中只有有规则的风而没有湍,大气中只有有规则的风而没有湍流运动,烟团仅仅靠分子扩散使烟流运动,烟团仅仅靠分子扩散使烟团长大,速度缓慢;团长大,速度缓慢;b,大气中存在剧烈的湍流运动,烟,大气中存在剧烈的湍流运动,烟团与空气之间强烈混合和交换,大团与空气之间强烈混合和交换,大大加强了烟团的扩散大加强了烟团的扩散湍流扩散比分子扩散速率快湍流扩散比分子扩散速率快105106倍,湍流扩散的作用是很重要倍,湍流扩散的作用是很重要的。的。平均运动方向平均运动方向平流输送为主,平流输送为主,在湍流扩散过程中,各种不同在湍流扩
3、散过程中,各种不同大小的湍涡,在扩散的不同阶大小的湍涡,在扩散的不同阶段起到不同的作用:段起到不同的作用:a,受小尺度湍流搅动,烟团缓,受小尺度湍流搅动,烟团缓慢扩散。慢扩散。b,烟团被大尺度湍流夹带,烟,烟团被大尺度湍流夹带,烟团本身截面尺度变化不大;团本身截面尺度变化不大;c,烟团同时受到大、中、小三,烟团同时受到大、中、小三种尺度的湍流作用,所以扩散种尺度的湍流作用,所以扩散过程进行较快。过程进行较快。主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系1.1.梯度输送理论梯度输送理论欧拉坐标,固定空间某一点为研究对象欧拉坐标,固定空间某一点为
4、研究对象理论基础:质量守恒定律,把扩散类似分子扩散,理论基础:质量守恒定律,把扩散类似分子扩散,污染物污染物的扩散速率与负浓度梯度成正比的扩散速率与负浓度梯度成正比,脉动值用平均值代替。,脉动值用平均值代替。2.2.湍流统计理论湍流统计理论拉格朗日方法,空间微团为拉格朗日方法,空间微团为研究对象研究对象理论基础:解决扩散参数时用二元相关理论:方差、概率理论基础:解决扩散参数时用二元相关理论:方差、概率泰勒公式;萨顿实用模式;高斯模式泰勒公式;萨顿实用模式;高斯模式 3.3.相似理论相似理论 高斯模式的有关假定高斯模式的有关假定n坐标系坐标系右手坐标,原点为排放点或高架点源的投影点,右手坐标,原
5、点为排放点或高架点源的投影点,x为风向,为风向,y为横风向,为横风向,z为垂直向为垂直向n四点假设四点假设 wa污染物浓度在污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布风向上分布为正态分布wb全部高度风速均匀稳定全部高度风速均匀稳定wc源强是连续均匀稳定的源强是连续均匀稳定的wd扩散中污染物是守恒的(不考虑转化)扩散中污染物是守恒的(不考虑转化)高斯扩散模式的坐标系高斯扩散模式的坐标系由正态分布假定,得下风向任一点的浓度分布由正态分布假定,得下风向任一点的浓度分布方差的表达式方差的表达式由假定由假定d源强积分式源强积分式 (单位时间物料守恒)(单位时间物料守恒)未知数:浓度未知数:浓度c,待定函数,
6、待定函数A(x),待定系数),待定系数a,b积分,可以解出四个未知数:得到高斯模式积分,可以解出四个未知数:得到高斯模式22)(),(bzayeexAzyxc2200yy cdycdy2200zz cdzcdzqucdydz)22(exp2),(2222zyzyzyuqzyxc)22(exp2),(2222zyzyzyuqzyxc镜像全反射镜像全反射-像源法像源法n实源:实源:n像源:像源:(,)c x y z Hz(,)c x y z Hz2222()(,)exp()exp222yyyzqyzHc x y z Hu n 实源的贡献实源的贡献2222()(,)exp()exp222yzyzqy
7、zHc x y z Hu n 像源的贡献像源的贡献222222()()(,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu n 实际浓度实际浓度zz 污染源的东侧为峭壁,其高度比污染源高得多。设污染源的东侧为峭壁,其高度比污染源高得多。设有效源高为有效源高为H,污染源距峭壁的距离为,污染源距峭壁的距离为L,峭壁对烟,峭壁对烟流扩散起全反射作用。试推导吹南风时高架连续点流扩散起全反射作用。试推导吹南风时高架连续点源的扩散模式。源的扩散模式。L北北峭壁峭壁yxP(x,y,z,H)P(x,y+2L,z,H)2222(,)exp()exp()22yzyzqyHc x y z
8、Hu 地面浓度模式地面浓度模式:取:取z z0 0代入上式,得代入上式,得22(,)exp()2zyzqHc x y z Hu 地面轴线浓度模式地面轴线浓度模式:再取:再取y=0y=0代入上式代入上式22(,)exp()2zyzqHc x y z Hu xyz上式,上式,增大,则增大,则 、增大,第一项减小,第二增大,第一项减小,第二 项增大,必然在某项增大,必然在某x 处有最大值处有最大值地面最大浓度模式地面最大浓度模式:考虑地面轴线浓度模式考虑地面轴线浓度模式 yzconst(,0,0,)0zdc xHdmax22zyqcuH emax|2czx xH地面最大浓度模式(续):地面最大浓度模
9、式(续):设设 (实际中成立)(实际中成立)由此求得由此求得令令H02222(,0)exp()22yzyzqyzc x y zu 相当于无限源的相当于无限源的2 2倍(镜像垂直于地面,源强加倍)倍(镜像垂直于地面,源强加倍)粒径小于粒径小于15um的颗粒物可按气体扩散计算的颗粒物可按气体扩散计算大于大于15um的颗粒物:倾斜烟流模式的颗粒物:倾斜烟流模式2222(/)(1)(,0,)exp()exp222tyzyzHv x ua Qyc x yHu 218pptdgv 地面反射系数地面反射系数ut t 0 x H uxt q 源强源强 计算或实测计算或实测 平均风速平均风速 多年的风速资料多年
10、的风速资料 H 有效烟囱高度有效烟囱高度 、扩散参数扩散参数uyz1.烟气抬升高度的计算烟气抬升高度的计算 初始动量:初始动量:速度、内径速度、内径烟温度烟温度 浮力浮力烟气抬升烟气抬升sHHHsHH烟囱几何高度烟囱几何高度抬升高度抬升高度有效源高有效源高sHHHsHH烟囱几何高度烟囱几何高度抬升高度抬升高度有效源高有效源高(1)喷出阶段)喷出阶段 依靠烟流初始动量向上喷射;依靠烟流初始动量向上喷射;(2)浮升阶段)浮升阶段 烟流的热力浮力而上升;烟流的热力浮力而上升;(3)瓦解阶段)瓦解阶段 烟流与空气混合,失去动量和浮力开始随风飘动烟流与空气混合,失去动量和浮力开始随风飘动(4)变平阶段)
11、变平阶段 烟流完全变平,随风飘动。烟流完全变平,随风飘动。浮升阶段 瓦解阶段 变平阶段 喷出阶段 Hs H 图 烟气抬升与扩散 烟气本身的因素烟气本身的因素 a)烟气出口速度(烟气出口速度(Vs)b)热排放率(热排放率(QH)烟囱口排出热量的速率烟囱口排出热量的速率 QH越高烟云抬升的浮力就越大,大多数烟云抬升模式认越高烟云抬升的浮力就越大,大多数烟云抬升模式认为为 ,其中,其中=1/41,常取常取为为2/3。c)烟囱几何高度(看法不一)烟囱几何高度(看法不一)有人认为有影响:有人认为有影响:;有人认为无影响。;有人认为无影响。环境大气因素环境大气因素 a)烟囱出口高度处风速烟囱出口高度处风速
12、 越大,抬升高度愈低。越大,抬升高度愈低。b)大气稳定度大气稳定度 不稳时,抬升较高;中性时,抬升稍高;稳定时,抬升低。不稳时,抬升较高;中性时,抬升稍高;稳定时,抬升低。c)大气湍流的影响大气湍流的影响 大气湍流越强,抬升高度愈低。大气湍流越强,抬升高度愈低。下垫面等因素的影响下垫面等因素的影响HQ32sA:A:烟流喷出速度越高或烟气温度与烟流喷出速度越高或烟气温度与周围空气温度之差越大,在低或中周围空气温度之差越大,在低或中等风速下,则烟气抬升高度越大等风速下,则烟气抬升高度越大B B:平均风速越大。湍流越强,空:平均风速越大。湍流越强,空气及烟气的混合就越快,此时温度气及烟气的混合就越快
13、,此时温度和动量就迅速减小,抬升就小和动量就迅速减小,抬升就小C C、d d:逆温层及逆温层消散前后的:逆温层及逆温层消散前后的不利气象因素阻止烟流的抬升,烟不利气象因素阻止烟流的抬升,烟气向地面扩散气向地面扩散E E、F F:不利的工厂因素和地形引起:不利的工厂因素和地形引起烟流下沉,不利于烟气抬升烟流下沉,不利于烟气抬升抬升高度计算式抬升高度计算式 (1)Holland公式公式:适用于中性大气条件适用于中性大气条件(稳定时减小,(稳定时减小,不稳时增加不稳时增加1020)HollandHolland公式比较保守,特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下公式比较保守,特别在烟囱高、热释放率比较强
14、的情况下3ssaHs1(1.52.7)(1.59.6 10)sv DTTHDv DQTuu抬升高度计算式(抬升高度计算式(续)续)(2 2)BriggsBriggs公式:适用不稳定及中性大气条件公式:适用不稳定及中性大气条件 H1 1/32/3sH1 1/32/3sH21000kW 10 =0.362 10 =1.55当时sQxHHQxuxHHQHuH1 1/31/3H3/52/5Hs6/5 3/53/5Hs21000kW 3*=0.362 3*=0.332 *=0.33当时QxxHQxuxxHQHxQHu抬升高度计算式抬升高度计算式(续)(续)(3 3)我 国)我 国“制 订 地 方 大 气
15、 污 染 物 排 放 标 准 的 技 术 方制 订 地 方 大 气 污 染 物 排 放 标 准 的 技 术 方法法”(GB/T13201-91)(GB/T13201-91)中的公式中的公式 12Hsa1 nn0HsHaVasHH121sH12100kW()35K =0.35 1700kW2100kW1700 =()4002(1.50.01)0.04 =sQTTHn QHuTQP QTTTTQQHHHHv DQHu(1)当和时(2)当时HHsH1/43/8aH8(1700)1700kW35K2(1.50.01)=10m1.5m/s d =5.5(0.0098)dQuQTv DQHuTHQz(3)
16、当或时(4)当高 处 的 年 平 均 风 速 小 于 或 等 于时 某城市电厂有一座高某城市电厂有一座高100m的烟囱,烟囱出口内径的烟囱,烟囱出口内径5m,烟尘出口烟,烟尘出口烟流速度流速度17.42m/s,烟囱出口工况烟气流量,烟囱出口工况烟气流量342m3/s,烟气温度,烟气温度100,大气温度大气温度20,当地大气压力为,当地大气压力为1010hPa,烟囱出口处平均风速,烟囱出口处平均风速4m/s,试用试用Briggs、Holland及评价技术导则的烟气抬升公式,计算及评价技术导则的烟气抬升公式,计算1.1km处阴天时的抬升高度处阴天时的抬升高度:热释放率为:kW25930373293
17、373342101035.0 35.0svaHTTQPQ公式公式BriggsHolland评价导则评价导则H(m)24795.7208相对值相对值1.20.461值带入各抬升公式中和、将uHQsH高架连续点源地面最大浓度计算式高架连续点源地面最大浓度计算式yzeHuQC2max2 风速对风速对Cmax有两种作用结果:有两种作用结果:风速增大,地面最大浓度减小;风速增大,地面最大浓度减小;从各种抬升公式看,风速增大时抬升高度减小,地面最大浓度增大。从各种抬升公式看,风速增大时抬升高度减小,地面最大浓度增大。地面最大浓度地面最大浓度C Cmaxmax不是随风速增加而单纯的减小,而是先随风速增加而不
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