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1、大气环境影响二1第1页，本讲稿共37页第四节湍流扩散的基本理论一、湍流的基本概念1概念：在低层大气中，空气的运动由一个接一个的迅速的阵风起伏所组成，大小与方向随时都在变化，运动很不规则，我们把这种不规则的运动称为大气湍流大气湍流与一般工程上遇到的湍流有明显的不同。流体在管内流动时，湍涡的大小是被限制着的。大气中空气的流动则是没有约束的。只要极小的平均风速就会有很大的雷诺数；实际上可以认为，低层大气的流动通常都是处于湍流状态。形成和发展取决于两种因素：动力或机械的因素-机械湍流；热力因素引起-热力湍流；2第2页，本讲稿共37页2.大气湍流运动的描述：统计理论描述，某种属性的时间平均值可用下式表示
2、：直角坐标系中，任意瞬时速度湍流特性可以用湍流强度来表示湍流强度的定义3第3页，本讲稿共37页相对湍流强度4第4页，本讲稿共37页风向摆动可用风向方位角的方差或标准差描述湍流运动的两种描述方法欧拉法：连续介质，整个流场中各个给定空间点不同质点的运动要素随时间的变化简便拉格朗日法：典型流体质点的运动生命两种湍流：铅直方向气温分布不均产生的湍流-热力湍流，主要取决于大气稳定度。铅直方向风速分布不均及地面粗造度产生的湍流，叫机械湍流。主要取决于风速梯度和地面粗造度。湍流有极强的扩散能力：比分子扩散快105-106倍。与烟团尺度相近，扩散最好，太大-搬运，太小扩散差。5第5页，本讲稿共37页二、湍流扩
3、散理论梯度输送理论，统计扩散理论，相似扩散理论1梯度扩散理论在湍流扩散烟流中取微小体积元dxdydz,研究其中由于平均流动和湍流扩散发生的物质交换情况。ABCDABCD6第6页，本讲稿共37页单位时间内沿x方向微元内污染物的净变化量为：同理，在y方向和z方向的净变化量分别为：单位时间内微元内总的变化量为微元内的污染物质量为Cdxdydz,单位时间内的变化量表现为为：（5-1）（5-2）7第7页，本讲稿共37页据质量守恒定律（5-1）=（5-2）：考虑到湍流引起的浓度和速度起伏，需将c=c+c，u=u+u，v=v+v，w=w+w等关系式代入（5-3），对两边取平均，整理后得到：（5-3）湍流扩散
4、的梯度理论把湍流扩散过程与分子扩散过程类比，假定湍流脉动的浓度通量正比于平均浓度梯度，即：（5-4）8第8页，本讲稿共37页将上式代入（5-4）中，得到湍流扩散的微分方程：取x轴与平均风向一致，z轴铅直向上，v=w=0,假定流场均匀，将平均浓度表示为c,则上式变为：（5-5）（5-6）有风条件下连续点源的解：空间某固定点的浓度C不随时间而变浓度仅是空间坐标的函数9第9页，本讲稿共37页 X方向上的风平流输送引起的物质质量传递远远超过扩散作用 方程（5-6）简化为：边界条件：x=y=z=0时，C x,y,z 时，C 0连续条件：假定污染物在扩散过程中没有衰减或增生,而保持恒定,于是通过下风向任一
5、y-z平面的污染物量等于源强Q（5-7）10第10页，本讲稿共37页在上述条件下有风连续点源的解为：式中：（5-30）式（5-30）是假定污染物在无限空间中扩散，不受任何界面限制的条件下导出的，又称为无界情况下的扩散模式-无界空间连续点源高斯模式。无界空间连续点源高斯模式。11第11页，本讲稿共37页4高架连续点源高斯模式考虑地面影响像源法全反射原理P点浓度由实源（0、0、H）和像源（0、0、-H）产生的浓度之和（1）高架连续点源高斯模式推导实源的作用实源的作用：P点在以实源排放点（有效源高处）为原点的坐标系中（无限空间）中的铅直坐标（距烟流中心线的铅直距离）为（-(H-z)=z-H），不考虑
6、地面影响时在P点产生的浓度按（5-30）计算。（5-31）12第12页，本讲稿共37页像源的作用像源的作用：P点在以像源排放点（负的有效源高处）为原点的坐标系（无限空间）中的铅直坐标（距像源产生的烟流中心线的铅直距离）为（z+H），其在P点产生的浓度也按（5-30）计算。P点的实际浓度应为实源和像源作用之和（5-32）（5-33）13第13页，本讲稿共37页地面浓度扩散模式，z0时地面轴线浓度扩散模式，z=0,y=0时地面最大浓度模式（5-34）（5-35）x大大小大C-出现最大值14第14页，本讲稿共37页对x求导,并令（535）0，计算最大落地浓度和距离（5-36）（5-37）（5-38）
7、（5-39）（5-40）化简为下列常用的形式：15第15页，本讲稿共37页地面连续点源扩散模式，H=05.烟流宽度和烟流高度烟流半宽y0的定义是沿y轴方向从浓度轴线（x轴线）到浓度下降为轴线浓度1/10的距离假定浓度分布符合正态分布（5-42）坐标yi处浓度16第16页，本讲稿共37页同理：K理论把湍流扩散比拟分子扩散为缺乏严格物理依据的。湍流场均匀定常，实际大气很难满足；梯度理论仅是一种半经验性的理论；现在使用的大多数大气扩散模式都是由其进一步推导出高斯模式的不足之处：高斯模式的不足之处：17第17页，本讲稿共37页第五节有效烟囱高度的计算一、有效源高定义从地面最大浓度计算模式（5-37）看
8、出，地面最大浓度Cmax和有效源高H的平方成反比有效源高H等于烟囱实体高度Hs与烟流抬升高度H之和。有风时热烟流的抬升大体分以下几个阶段：喷出阶段；浮升阶段；瓦解阶段；变平价段18第18页，本讲稿共37页变平阶段瓦解阶段浮生阶段喷出阶段烟气抬升的各个阶段19第19页，本讲稿共37页二、烟流抬升高度公式HJ/T2.2-93环境影响评价技术导则 大气环境推荐公式：有风时，中性和不稳定条件下烟气抬升高度H(m)当烟气热释放率Qh大于或等于2100kJ/s，且烟气温度与环境温度的差值T大于或等于35k时：20第20页，本讲稿共37页当1700kJ/sQh2100kJ/s时 当Qh1700kJ/s或者T
9、35k时：21第21页，本讲稿共37页有风时，稳定条件下：静风和小风时：dTa/dZ取值时宜小于0.01k/m。例题5-1 “导则计算值”居中22第22页，本讲稿共37页三、地面绝对最大浓度风速是变化的风速对地面浓度有双重影响（5-40）风速增大时地面浓度减小风速增大时烟流抬升高度减小，地面最大浓度反而增大烟流抬升公式可以表示为（5-69）23第23页，本讲稿共37页地面最大浓度：对平均风速 求导数，24第24页，本讲稿共37页Cabsm使所有地面最大浓度中的极大者，地面绝对最大浓度；出现绝对最大浓度的风速-危险风速危险风速；危险风速下，烟流抬升高度和烟囱几何高度相等，H=Hs25第25页，本
10、讲稿共37页第六节点源环境浓度估算一、帕斯圭尔扩散曲线法1扩散曲线的要点划分大气稳定度的方法根据云量、云状、太阳辐射状况和地面风速等常规气象资料，将大气的扩散稀释能力划分为A-F六个稳定度等级。P131表5-5所示给出了确定扩散参数的方法P-G曲线，用常规气象资料就可以确定扩散参数的值正态浓度分布假设下的污染物环境浓度计算模式为帕斯圭尔曲线法的污染物环境浓度计算模式P-G扩散曲线法26第26页，本讲稿共37页2帕斯奎尔扩散曲线法的应用（1）根据常规气象资料确定稳定度级别稳定度级别中：A-极不稳定、B-不稳定、C-微不稳定、D-中性、E-微稳定、F-稳定。A-B表示A、B级别数据内插夜间定义为日
11、落前一小时至日出后一小时的时段不论何种大气状况，夜间前后各一小时算作中性，即D级稳定度强太阳辐射对应于碧空下太阳高度角60的条件，弱太阳辐射相当于碧空下太阳高度角从15到35。在确定太阳辐射时云量应与太阳高度一起考虑。27第27页，本讲稿共37页（2）利用扩散曲线确定y和z图5-17和图5-18 解决书籍复制误差，英国气象局给出表5-6具体数值（3）浓度计算确定扩散参数后,代入正态分布假设下的扩散模式(5-33)中,即可计算出高架连续点源下风向各点的污染物浓度。模式中的风速一般取源高处的平均风速。地面浓度分布图的绘制划分单元，计算各点的浓度值，绘制等浓度曲线图28第28页，本讲稿共37页二、我
12、国推荐的大气污染物环境浓度估算方法1大气稳定度分类采用修订的帕斯圭尔稳定度分类法（PS）（1）太阳高度角计算 h0arcsinsin+coscoscos(15t+-300)式中：，分别为当地的地理经度和纬度，度赤纬太阳倾角，度（可按当时月份与日期从附表9上查出）t 观测时的北京时间，小时。29第29页，本讲稿共37页（2）确定太阳辐射等级由云量和太阳高度角确定表5-7（3）确定大气稳定度的等级太阳辐射等级和地面风速确定大气稳定度的等级表5-82扩散参数y和z确定1-横向扩散回归指数；2-铅直扩散回归指数；1-横向扩散参数回归系数；2-铅直扩散参数回归系数；X-距排气筒下风向的水平距离，m.查附
13、表11得到，遵循以下几条30第30页，本讲稿共37页（1）平原地区农村及城市远郊区的扩散参数A、B、C直接查出D、E、F级稳定度，需向不稳定方向提高半级（2）工业区或城区中属于甲类排放标准的电源，其扩散参数选取方法A、B不提级C、D、E、F，向不稳定方向提高1级（3）丘陵山区的农村和城市选取方法同工业区或城区3地面浓度的计算31第31页，本讲稿共37页作业题作业题：1.位于北纬40，东经120的某城市远郊区（丘陵）有一火力发电厂，烟囱高度Hs=120m，烟囱排放口的直径D=1.5m，排放的SO2的源强Q=800kg/h，排气温度Ts=413K，烟气出口Vs=18m/s。8月15号17点（北京时间），云量5/4，气温303K，地面10m高处的风速2.8m/s。试求；（1）地面轴线最大浓度及其出现距离；（2）地面轴线1500处的浓度。32第32页，本讲稿共37页太阳高度角+赤道太阳倾角一年中日期序数33第33页，本讲稿共37页有效源高烟囱实体高度表示水平和垂直方向上的高斯分布的坐标系水平分布垂直分布34第34页，本讲稿共37页像源高架源扩散模式推导示意图35第35页，本讲稿共37页源36第36页，本讲稿共37页（5-30）（5-42）2倍37第37页，本讲稿共37页