《第04章大气污染浓度估算模式08》.ppt

第四章 大气污染物扩散模式 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 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，确定烟囱高度和厂址 第一节 湍流扩散的基本理论 扩散的要素 风：平流输送为主，风大则湍流大 湍流：湍流扩散比分子扩散快105～106倍 湍流的基本概念 湍流——大气的无规则运动 风速的脉动 风向的摆动 起因与两种形式 热力：温度垂直分布不均（不稳定）－大气稳定度 机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度 4.湍流运动的判据——雷诺数 雷诺还找到了由层流运动转换到湍流运动的判据——雷诺数（Re） 临界雷诺数 试验（圆管）表明： 当Re2000时的流体流动是 湍流 当Re2000时的流体流动是层流 数值Re＝2000叫临界雷诺数 大气湍流——临界雷诺数 对于大气： V=1.5×10-5m2/s 若取L=1m 只要U0.1m/s 则Re6000 所以通常认为大气运动都是湍流运动 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 类比于分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度成正比 2.湍流统计理论 泰勒－图4-1，正态分布 萨顿实用模式 高斯模式 3.相似理论 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“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，只能在特定的条件下求出近似解，再根据实际情况修正。 二、湍流扩散理论简介 2.湍流统计理论： 泰勒(G．I．TaYler)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。 3.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。 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。 ? 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，扩散过程是上述几种过程共同完成的。 4.研究湍流的主要方法 目前研究湍流的主要方法有两种： 一种是半经验理论方法，它是通过解运动方程等来研究边界层大气运动； 是模仿气体分子运动与气体宏观运动的理论处理方法，结合经验事实，采用适当的参数。 虽然这个理论本身还很粗糙，但能够解决一些实际问题(如物体在流体中运行的阻力)，所以许多应用科学家和工程技术人员对此比较感