05烟流抬升公式.ppt

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05烟流抬升公式

南京信息工程大学 LAPE 影响扩散的非扩散过程——烟流抬升高度 Q 源强 计算或实测 平均风速 多年的风速资料 H 有效烟源高度 、 扩散参数 3.4.1 烟流抬升 高斯烟流扩散公式的排放高度H, 实际应用中,烟气抬升有动力抬升因子和热力抬升因子。 动力:烟气排放的出口速度。 热力:烟气温度比环境气温高。 烟源条件和气象条件不同,烟流抬升不同。 一般,烟气抬升能将烟源的实际排放高度提高到2~10倍的烟囱高度,可使地面最大浓度降低3~100倍。甚至发生烟流穿透进入空中稳定层的情况下,地面最大浓度更小。 1 烟流抬升的物理模型及影响因子 连续点源的排放模型 抬升过程分为如下几个阶段: 1:喷出阶段:烟气在自身具有的初始动量(由出口速度提供)作用下垂直向上喷射。此时,内部流动相对比较规则,边缘上烟气和周围空气的湍流交换尚未发展,因此烟流轮廓清晰,内部基本维持原来状态。随着烟气上升、烟流内外空气开始逐渐发生湍流混合(由速度切变造成),烟流体扩大并获水平动量(由源高处风速提供),烟流渐渐向水平下风方弯曲。随着水平动量增大,因初始动量而具有的上升速度减小,主导地位消失,动力抬升转而由浮力作用取代成为主导因子。观测表明,通常喷出阶段是个短暂的阶段,动力抬升一般维持至烟囱出口口径的10倍左右水平距离的范围。 2:浮升阶段:烟气排放出烟囱口后,由于烟气温度与出口环境气温之差造成的浮力加速度的作用,由其造成的烟气上升速度不久便超过动力上升速度并使烟流继续上升而进入浮力抬升阶段。这时,烟流体增大,烟流内外温差和浮力继续使烟流抬升,随着烟流内外的速度切变作用的加入,使更多的空气参与混合,即烟流边缘的卷夹过程加剧,产生边缘湍流活动带。尽管如此,在烟流抬升的这一阶段,浮力抬升起主导作用,由速度切变造成的自生湍流是导致烟气与周围空气混合的主要因素,环境湍流的作用还较弱。但持续的混合过程会使烟流体内外的温差不断减小,上升速度减缓,烟流开始趋向变平而转入抬升升的下一阶段。观测表明,这一阶段是热烟流升的主要阶段。 3:瓦解阶段:至浮升阶段的后期烟流上升速度逐渐减缓,由速度切变造成的自生湍流变得很弱。可是,另一方面,随着烟流体的不断增大,至相当于大气湍流的惯性次区湍涡尺度,越来越多的尺度与之相当的大气湍涡参与混合,环境湍流的作用明显增强并逐渐达到占主导优势的地步。当烟流体增大到环境湍流含能湍涡尺度时,环境湍流的作用急剧增大,环境湍涡大量卷入烟流体,使其自身结构在短时间内瓦解,烟气原先的动力抬升和热力抬升的性质消失,烟流的抬升基本停止。显然,这个阶段通常也是较短的。 4:变平阶段:以大气中大湍涡为代表的环境湍流起主导作用。使烟流体继续散开胀大,抬升完全停止,烟流渐渐变平。此时,烟流达终极拾升高度并以此计算实际的烟流抬升高度。 大量观测试验(含现场观测和室内物理模拟试验)结果表明,影响热烟流抬升的基本因子可归纳成以下三类: (1)排放源及排放烟气的性质。源排放烟气的初始动量和浮力是决定其上升高度的基本因素。前者决定于烟气出口速度W0和源出口半径R0;后者决定于烟气密度和周围环境空气的密度差。若不计烟气与空气成分的差异,压力相同情况下,密度差可以温度差表示,于是有浮力加速度关系 (2)环境大气的性质:烟气与周围空气混合的速率对烟流抬升的影响也十分重要。混合愈快相当于把烟气的初始动量和热量更快地分散给周围空气。 (3)下垫面性质:首先是地形的影响,地面粗糙度是影响湍流强弱的因素之一,粗糙地面上空湍流活跃,不利于烟流抬升。离地越高,地面粗糙度的影响减弱,有利于烟流抬升。另外,复杂的地形,如坡、谷等会形成局部热力状况的特殊分布,从而影响烟流拾升。下垫面的建筑物和地形障碍物的空气动力学效应也会直接支配姻流的抬升,这和烟源与障碍物的相对位置有关。 2 烟流抬升轨迹与终极抬升 由几何模型分析可见,烟气自出口排出后,形成烟流并经历初期的准垂直形式,然后弯曲并扩大至瓦解变平,达到终极抬升高度并以此高度计算烟流抬升高度和有效源高。在这之前,烟流轴线离地面高度不断变化,连成烟流拾升轨迹或烟流轨迹,常以z(x)表示。显然,只有经过相当距离后,达到出现变平轨迹的离源距离上,才会有z(XT)=H。这里的XT称为终极抬升距离。 有人根据实验,将烟流轴的上升斜率0.05时规定为“变平”。 为得到实用的抬升高度计算公式,常采用经验截止和理论截止的方法确定终极抬升高度。前者以XT =10hs代人烟流抬升的轨迹方程;后者则引入环境湍流作用求解支配方程得出烟流抬升高度。 3.4.2 烟流抬升方程 烟流是由运动中的流体构成的,于是,大多数烟流抬升模式基于流体力学的基本定律,即质量守恒,浮力守恒和动量守恒来考察烟流抬升问题,通过积分这些守恒表达式(在烟流的截面

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