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1、大气污染控制工程讲义第四章大气扩散浓度估算模式第一节湍流扩散的基本理论一湍流1 .定义：大气的无规则运动风速的脉动风向的摆动2 .类型：按形成原因 J热力湍流：温度垂直分布不均（不稳定）引起，取决于大气稳定度 机械湍流：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起3 .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 105106倍二湍流扩散理论（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.梯度输送理论通过与菲克扩散理论类比建立起来的（菲克定律：单位时间内通过单位断面上的物质的数量与浓度梯度呈正比）类比于分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度成正比式中，F 一污染物的输送通量
2、k 湍流扩散系数C 一污染物的浓度X 一与扩散截面垂直的空间坐标（扩散过程的长度）C-浓度梯度:x要求得各种条件下某污染物的时、空分布，由于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能 是在特定的条件下求出近似解，再根据实际情况进行修正。2 .湍流统计理论泰勒首先将统计理论应用在湍流扩散上图4-1显示：从原点O放出的粒子，在风沿着 x方向吹的湍流大气中扩散。粒子的位置用y表示，则结论为：y随时间变化，但其变化的平均值为零若从原点放出很多粒子，则在x轴上粒子的浓度最高，浓席分布以x轴为对称轴，并符合正态分布。萨顿实用模式：解决污染物在大气中扩散的实用模式高斯模式：应用湍流统计理论得出正态分布假
3、设下的扩散模式3 .相似理论第二节高斯扩散模式一坐标系的建立一右手坐标系1. 原点O:无界点源或地面源，。为污染物的排放点高架源，O为污染物的排放点在地面上的投影点补充：点源高架源连续源固定源线源地面源间歇源流动源面源2. x轴：正向为平均风向，烟流中心线与 x轴重合3. y轴：垂直于x轴4. z轴：垂直于xoy平面二高斯模式的有关假定1.污染物浓度在 V、z轴上的分布为正态分布;f (y)=1二 y，2二2/ y 、exp(-2)2、1/ z 、f(z) ： exp(-)二 z，2 二 2；-z仃z 一分别为污染物在y和z方向上分布的标准差,2 .全部高度风速均匀稳定，即风速 U为常数;3
4、.源强是连续均匀稳定的，源强 Q为定值；4 .扩散中污染物是守恒的，不考虑转化，即烟云在扩散过程中没有沉降、化合、分解及地面吸收、吸附二 C作用发生；一C=0；:t_ :C:C5 .在x方向上，输送作用远远大于扩散作用，即 u/ 冷 牧（kx）；二 x ：x 二 x6 .地面足够平坦。三无界空间连续点源扩散模式由正态分布假定，得下风向任一点C (x, y,2z)的浓滨分布函数为:c ( x , y , z); A ( x )e _ay e _bz方差的表达式：_源强积分式2(单位庾Mcd恒)：2/z2cdzyzq =cdy uc d y d z cdz- 0一二二 一二二 0联立以上各式，得到
5、无界空间连续点源扩散的高斯模式：QC(x, y, z,0)= 一=2 二 u；Wexp -(z2 12bz3 10四高架连续点源扩散的高斯模式一像源法高架连续点源的扩散问题，必须考虑地面对扩散的影响.根据前述假定，可以认为地面象镜面一样、 对污染物起全反射作用。按全反射原理，可以用像源法来处理这一问题。P点的污染物浓度可看成是两部分贡献之和：不存在地面时P点所具有的污染物浓度，由源点由地面的反射作用所增加的污染物浓度，由像点A (0, 0, H)造成A ( 0, 0, -H)造成P点在以源点A (0, 0, H)为原点的坐标系中的坐标为P点在以像点A (0, 0, -H)为原点坐标系中的坐标为
6、C (x, v, z-H)C (x, y, z+H)源点A的贡献为:Clexp)，2ngyQz_ 2%.(z-H)22像点A的贡献为：C2_ Q2 二 Uy；zexp2y-22；)则P点的实际浓度为：C (x, V, z, H) = C1+C2-222 rC(x, y, z, H) =-=exp(-) |exp(- Z- 2 ) +exp(- Z 2 )2nucTyCTz2、_2%2订z讨论：1)地面浓度模式(公式中z=0)cQ- y2 H2 C(x, y,0, H )=exp -(-yT+-) nuOz _ 2Oy212)地面轴线浓度模式(再取 y=0)C(x,0,0,H) =Q-ex/)z
7、 2- z3)地面最大浓度模式考虑地面轴线浓度模式第二项增大，则必然在某-QC(x,0,0, H) =-二 u。yH 2 exp(),随x增大，。 增大，第一项减小, 2y二 z2 - zx处有最大值。设0y/ =const (实际中成立)dC(x，0,0，H)=0 求得,2QCTz4)d；z2uH eXmax地面连续点源扩散的高斯模式(H=0)QC(x, y,z,0)二 U；zexp -(_2_22二 y2二 z地面连续点源造成的浓度恰是无界连续点源造成浓度的两倍第三节污染物浓度的估算烟气抬升高度的计算大气污染控制工程讲义1 .抬升高度有效源高 H =Hs :：H式中：H s 烟囱的几何高度
8、H 一烟流的抬升高度烟气抬升一一初始动量：速度、内径烟气温度一浮力2.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%）vD一T。T_1_3一H = =(1.52.7 s D ) = (1.5 vs D 9.610 -3 Q H )QvAuT su)m2 一，A = D , u=u1(4Holland2) Briggs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：适用不稳定及中性大气条件偏差较大H 21000kWx :二 10 H:H =0.3621/3H2/3_i ux 10 H:H =1.551/32/3 s_i uh :二 21
9、000kW=0.3621/31/3_1u=0.3323/52/5sx *=0.333/5HH s3/53）我国制订地方大气污染物排放标准的技术方法”(GB/T13201-91)中的公式Q H 之 2100kW 和(TsnQQ H = 0.3 5n 1n 2HH sc 八 . TP a Q V T s- Ta)-1 uTa 一 Ts as2)1 7 0 0 k W :二) Q_H2 (1.5 vs D 0.0 1 Q H )3)u700kW 或 AT 35K时2 (1.5 vsD 0.0 1 Q4H0)4 0 00.0 4 8 (Q H u4)10m高u处的年平均风速小于或等于1.5 m /s时
10、二扩散参数的确定1. PG 曲线法(PasquillGifford )方法要点:首先根据常规气象观测资料， 速），将大气的扩散稀释能力划分为即太阳辐射情况（云量、云状和日照）和离地面10m高度处的风速（地面风 A 一F六个稳定度级别.然后根据大量扩散实验的数据和理论上的考虑，用曲线来表示每一个稳定度级别的,仃y , 0Z随距离X的变化.这样就可用前面导出的扩散模式进行浓度估算了。2. P-G曲线法的应用1）根据常规资料确定稳定度级别表4-3稳定度级别划分表地面风速心口(距地面10 m处)/Urs-16白天太阳辐射X4BBCCBB-CC-DDHCCDD阴天的白 天或夜间有云的夜间薄云遮天或低云5
11、/10 ；云量 2xd时，z向浓度混合均匀，y向正态分布，用下式计算地面轴线浓度八Qy2C（x, y）： exp（-）uD、2二 2（3）当xd x 2xd）计算.只是D应换成逆温层消失高度hf,源强Q只应包括进入混合层中的部分，所以计算公式改为：p 11Oq_exp( - -P )d P 4 32：F (x, y, 0, H )=_赤72 兀2/y 、/exp( - ),V27 UhfQyf2 仃 yf大气污染控制工程讲义4 7yf2.15 二H tg152.15hf逆温层消失高度，m; 100m,二 z /二 y =0.52q；zueu(C o - Cb)。yHs 100m,二 z/； =
12、0.6-1.0C 0 标准浓度C b 本底浓度3 .按地面绝对最大浓度计算-Cma =04u;二 E fuH(3 - 21)-max 出现极大值此时1z -absm2 TteH sB, 2_n e H s u c 、yHs代入下式可得2二eB(C0 -Cb)4 .按一定保证率的计算法方法1、2, Hs较小，在风速小于 u时，地面浓度会超标方法3的Hs,不论风速大小，地面浓度皆不会超标，但造价高对方法3中的u和稳定度取一定保证率下的值（上述两种情况之间一定保证率下的平均风速和扩散参数），此法较合理。5 . P 值法（国标 GB/T 13201-91 ）q xin6H S =产 J AH , P为
13、点源排放控制系数二烟囱设计中的几个问题1 .上述计算公式按锥形高斯模式，在温度层结相同的条件下导出，在逆温较强的地区，需要用封闭型（上部逆温）或熏烟型（辐射逆温）模式进行校核；2 .烟气抬升高度的选取：优先采用国家标准中的推荐公式；3 .防止烟流下洗、下沉现象第六节厂址选择厂址选择需收集的气候资料1 .风向和风速的气候资料取多年平均值，绘成风向频率和风速复合玫瑰图：矢线长度代表风向频率的大小，矢线末端的风速羽代表平均风速的大小，每一羽代表0.5或1.0m/s另外常把静风（U0v 0.5 m/s）和微风（U0 =0.51.0 m/s）之间的单独分析，因为此时大气的通风条件差,不利于污染物扩散，容易引起大气污染。2 .大气稳定度的气候资料根据以往的气象资料对当地大气稳定度进行，并作相应的频率图表，多注意统计逆温资料。3 混合层高度的确定二厂址选择理想的建厂位置为：1 .污染物背景浓度小；2 .大气扩散稀释能力强；3 .排放的污染物被输送到城市或居民区的可能性最小的地方。