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文档简介
第十一章污染气象第一节大气污染物的种类及来源第二节空气污染物散布的影响因素第三节大气中污染物的扩散模式
第四节大气环境质量评价大气污染,通常是指由于人类活动和自然过程引起某些物质进入大气中,呈现出足够的浓度,达到了足够的时间,并因此而危害了人体的舒适、健康和福利。“空气”和“大气”两词并无实质性的差别。空气污染(Air
Pollution)和大气污染(AtmosphericPollution)常常通用但在研究近地层空气污染规律时,往往根据研究的范围加以区分。有学者将室外地区性空气污染称为大气污染,而对室内的空气污染称为空气污染;也有人认为空气污染是指小范围的气体污染,如室内、城市区域的空气污染,而大气污染则指大区域乃至全球性的空气污染,如气象学、大气环境讨论涉及的大范围污染。定义明确了形成大气污染的原因包括自然因素和人为因素两个方面。自然因素是指自然过程造成的大气污染,包括火山活动、森林火灾、地震、土壤岩石风蚀、海啸、雷电、动植物尸体的腐烂及大气圈空气的运动等产生的尘埃、硫氧化物、氮氧化物等。人为因素包括人类的生活活动和生产活动两个方面,来自人类生活、工业生产、交通运输等活动中的废
弃物、燃烧、排放等,导致一些非自然大气组分的
有害物质如粉尘、碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物
等进入大气,在大气中积累后超过自然大气中该组
分的含量而形成污染。定义还强调了造成大气污染的必要条件,即污染物
在大气中要含有足够的浓度,并且停留足够的时间,超过了允许限度,使得大气质量恶化,从而危害了
人体的舒适、健康和福利或危害了环境。空气污染指数(airpollutionindex,简称api):是衡量一个区域内空气污染程度及其对人体健康的指标。是将常规监测的几种空气污染物浓度简化成为单一的概念性指数值形式,并分级表征空气污染程度和空气质量状况。空气污染指数是根据空气环境质量标准和各项污染物的生态环境效应及其对人体健康的影响来确定污染指数的分级数值及相应的污染物浓度限值。根据我国空气污染特点和污染防治重点,目前计入空气污染指数的项目暂定为:二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物PM10。随着环境保护的深入和监测技术水平的提高,将调整增加其它污染项目,以便更为客观地反映污染状况。空气污染指数的确定,是先确定各种污染物的污染分指数,取最大者作为该区域的空气污染指数API污染物的污染分指数
,满足不等式其分指数为:API
=
max(I1,
I2
,,
In
)ii,
ji,
jii,
j(Xi,
j+1i,
j+1-C)·(I-
I
)I
=C
-CIi按表12-1对照分段线性方法计算,当污染物的浓度为
Xi
,Ci
,
j
+1
X
i
Ci
,
j我国目前采用的空气污染指数(api)分为五级,api≤50,空气质量为优,相当于达到国家空气质量一级标准,符合生活和其它需要特殊保护地区的空气质量要求。api>50且≤100,空气质量良好,相当于达到国家空气质量二级标准。api>100且≤200,空气质量为轻度污染,相当于达到国家空气质量三级标准;长期接触,易感人群病状有轻度加剧,健康人群出现刺激症状。api>200,空气质量较差,超过国家空气质量三级标准,一定时间接触后,对人体危害较大。空气污染气象学:是研究大气环境中由自然因子和
人为因素支配的大气污染物自污染源进入大气后的
扩散稀释、转化、迁移和清除的规律,模拟并预测
空气污染物的浓度分布及其对环境空气质量的影响。空气污染气象学研究和应用的目的在于为环境管理与环境规划、污染防治提供科学依据,进而有效地防治大气污染,改善环境空气质量。第一节大气污染物的种类及来源(一)大气污染物的种类大气污染物是指以各种方式排放进入大气层并可能对人和生物、建筑材料和其它物品及整个大气环境构成危害或带来不利影响的物质。目前已知约有100多种。按其存在状态可分为两大类。一种是气溶胶状态污染物,另一种是气体状态污染物。气溶胶状态污染物是指浮游在大气中的沉降速度很
小甚至可以忽略的非气态微粒。主要有:粉尘、烟、飞灰、黑烟、雾等。粒径大于10微米为尘降,在0.1-10微米为飘尘,小于0.1微米为浮尘我国环境质量标准中,小于等于100微米为总悬浮颗粒物TSP,小于等于10微米称为可吸入颗粒物
PM10。气体状态污染物是以分子状态存在于大气中的污染物。主要五类,以二氧化硫为主的含硫化合物,以二氧化氮为主的含氮化合物,以二氧化碳为主的碳的氧化物、有机化合物以及卤素化合物。
表1
大气污染物
分类
成分颗粒物含硫化合物含氮化合物碳氧化物
卤化物有机化合物碳粒,飞灰,CaCO3,ZnO,PbO2,各种重金属尘粒SO2,SO3,H2SO4,硫醇等
NO,NO2,NH3等O3,CO,CO2,过氧化合物等氯气,HF,HCI等烃类,甲醛,有机酸,焦油,有机卤化物,酮类,稠环致癌物等(1)含硫化合物。主要指S02、S03和H2S等,其中S02的来源广、数量最大,是影响和破坏全世界范围大气质量的最主要的气态污染物,尤其在燃用高硫煤的地区。含硫化石燃料燃烧、有色金属冶炼、火力发电、石
油炼制、造纸、硫酸生产及硅酸盐制品熔烧等过程
都向大气排放S02,以化石燃料燃烧产生的S02最多,约占70%以上。含硫化合物是造成二次污染硫酸烟
雾的主要物质,并参与了酸雨的形成。(2)含氮化合物。大气污染物中含氮化合物种类很多,如NO、NO2、N20(一氧化二氮)、N203(三氧化二氮),以及
NH3(氨)、HCN(氰化物)等,通常用符号NOX表示这些氮氧化物。其中造成大气污染的NOX主要是NO和N02。NOX主要来源于化石燃料的燃烧,大约83%的NOX是由燃料的燃烧而产生的。各种燃烧设备如锅炉、窑炉、燃气轮机装置,以及各种交通车辆,特别是以汽油、柴油为燃料的机动车辆排放出NOX最多。(3)碳氧化合物。污染大气的碳氧化合物主要有两种物质,即CO和C02。CO和C02是各种大气污染物中排放量最大的
污染物之一,既来源于人工污染源,也来源于天然
污染源。化石燃料的燃烧排放是主要的人工污染源。
C02是主要的温室气体之一。(4)碳氢化物。大气中的碳氢化合物(HC)通常是指可挥发的各种有机烃类化合物,由碳和氢两种元素组成,如烷烃、烯烃和芳烃等。大气中的碳氢化合物大部分来自于植物的分解,人工来源主要是石油燃料的不完全燃烧和石油类物质的蒸发。人工排放的碳氢化合物数量虽然有限,但它对环境的影响不可忽视。各种复杂的碳氢化合物,如多环芳烃(PAH)中的苯并芘具有明显的致癌作用,是一种强致癌剂,油炸食品、抽烟会产生苯并芘,更大危害还在于碳氢化合物和氮氧化合物的共同作用会形成光化学烟雾。(5)卤素化合物。对大气构成污染的卤素化合物,主要是含氯化合物及含氟化合物,如HCl、HF、SiF4等。其来源比较广泛,钢铁工业、石油化工、农药制造、化肥工业等工矿企业的生产过程中都有可能排放卤素化合物。对局部地区的植物生长具有很大的伤害;同时,它也是破坏臭氧层的主要成分之一。(6)硫酸烟雾。硫酸烟雾是大气中的S02等含硫化合物,在有水雾、颗粒气溶胶、以及氮氧化合物存在时,在一定的气象条件下,发生一系列化学或光化学反应而形成的硫酸雾或硫酸盐气溶胶。(7)光化学烟雾。在阳光紫外线照射下,大气中的氮氧化物、碳氢化合物和氧化剂之间发生一系列光化学反应而生成的淡蓝色(有时呈紫色或黄褐色)二次污染物,即光化学烟雾,其主要成分是臭氧、过氧乙酰基硝酸酯(PAN)、醛类及酮类等。光化学烟雾的危害非常大,如具有特殊的呛人气味,刺激眼睛和喉粘膜,造成呼吸困难,使植物叶片变黄甚至枯萎等。(二)大气污染物来源大气污染物来源:有自然因素(如森林火灾、火山爆发、土壤和岩石风化等)和人为因素(如工业废
气、生活燃煤、汽车尾气、核爆炸等)两种,且以后者为主,尤其是工业生产和交通运输所造成的。主要过程由污染源排放、大气传播、人与物受害这三个环节所构成。第二节空气污染物散布的影响因素空气污染物的散布是在大气边界层的湍流场中进行的,空气污染物的散布过程就是大气输送与扩散的结果。影响大气污染范围和强度的因素有污染物的性质(物理的和化学的),污染源的性质(源强、源高、源内温度、排气速率等),气象条件(风向、风速、温度层结等,天气形势),地表性质(地形起伏、
粗糙度、地面覆盖物等)。空气污染的散布主要是在大气边界层的湍流中进行的。影响大气污染的气象因素一、气象动力因素主要是指风和湍流,它们对污染物在大气中的稀释和扩散起着决定性作用。主要指大气的温度层结和大气稳二、气象热力因素定度。三、辐射和云四、降水和雾五、天气形势和下垫面条件大气边界层由于受下垫面影响而湍流化的低层大气,通常为距地面
1-2km以下高度的大气层为大气边界层,又称摩擦层。距地面1m以下的大气层称贴地层,分子粘性力起重要作用,主要运动形式:分子扩散。距地面100m以下高度的大气层为近地层。它的高度随时间、地点略有不同,气象要素的日变化明显,垂直梯度大。湍流摩擦力和气压梯度力起主要作用,地转偏向力可忽略.风向不随高度变化,风速随高度变化。湍流作用明显,垂直方向的湍流对动量、热量、水汽的输送。物理量的垂直梯度远大于水平梯度,物理量的垂直通量不随高度变化。埃克曼Ekman层(上部摩擦层)从近地层到大气边界层顶。气压梯度力、地转偏向力外,湍流摩擦力为同一数量级。物理量的垂直梯度远大于水平梯度。风向、风速按一定的规律随高度变化。(一)风与湍流风是空气相对于地面的水平运动,是矢量,既有大小又有方向。污染物在风的作用下向下风方向输送,而不会影响到上风方向,风速越大污染物被输送越远,与空气混合超充分,空气中污染物的深度越低。由于风能输送污染物,又能使污染物与空气混合,
降低污染物的深度,所以风对污染物起很大的作用。是空气污染气象学中的一个主要影响因子在考虑风对污染影响时用污染系数表示:污染系数=风向频率/平均风速风频低,风速高,污染系数小,空气污染程度轻。风场风:空气的水平运动称为风风速:单位时间内空气移动的水平距离,单位为m/s。风向:16个方位。风频:吹某一风向的风的次数占总的观测统计次数的百分比,称为该风向的风频。f
nnf
n
+
cg
=16n
=
1风向的16个方位主导风向:风频最大的风向,其下风向即为污染机率最大的方位。风玫瑰图:在极坐标中按16个风向标出其频率的大小。风向决定了污染的方位,风速表征了大气污染物的输送速率定量地表示风向对污染物影响的基本指标有各风向
频率与静风次数,各风向频率可以用风玫瑰图表示。一地进行城市功能布局和山区建厂选址时,就要根
据当地风向的时空分布特征决定工业规划进行决策。在进行城市布局的时候,一般要探索某地的主导风
向或一年之中的盛行风向,将工业区或污染区布置
在盛行风的下风向。这样做的目的是为了减少烟尘
和粉尘或其他有毒气体被排放时带来污染物的扩散。局地风场:系指在局部地区由于地形影响而形成的空间和时间尺度都比较小的地方性风。海陆风:海陆对热量反应的差异;白天:海风;晚上:陆风山谷风:山地或山区与平原交界处;白天:谷风、进山风;晚上;山风、出山风过山气流:背风气流下泄城市热岛环流:城乡温度差异引起的局地风。引起大气运动的作用力间接作用力重力直接作用力水平气压梯度力(垂直上与重力基本平衡)地转偏向力(相对运动:方向改变)惯性离心力(大气曲线运动:很小)摩擦力(近地1~2km内明显)近地层风速随高度的变化规律:风速廓线地面风向、风速主要影响近地面源的小尺度扩散,对中尺度以上或高架源的扩散岀需研究风的垂直分布风速廓线:平均风速随高度变化的曲线,数学表达式为风速廓线模式。有对数风速廓线、指数廓线、综合指数廓线。在近地层中,风速随高度主要为对数廓线较高层,大于100m,符合幂函数。对数风速廓线中性层结下,湍流完全取决于动力因子的作用,为对数风速廓线。卡门常数,卡门常数经风洞试验结果为0.4,后经精密测量,在大气中应为0.35摩擦速度,切应力随高度改变z0为地面粗糙度,平均风速为
0的高度。风洞实验确定为覆盖下界面粗糙物平均高度的
1/300e
zu
=
u*
ln
zz
=
z0u
=
0p
'
¶uu*
==
lr
¶z摩擦速度与粗糙度,可利用两高度处测得的风速求得。这种方法求得的摩擦速度与粗糙度误差很大,为提度精度,可以进行梯度观测,用U与lnZ图,用图解法计算。z
=
z0u
=
0ln
z0
=u1
ln
z2
-
u2
ln
z1(u1
-
u2
)z1u*
=
e
u2
-
u1ln
z2ln
zaln
z0uu*
=
etgaln
z
=
ln
z0u
=
0由右图可以得出对数风速廓线的推导近地面中性层结中,湍流运动与风洞里人工模拟的湍流相似:混合长与离平板的垂直距离成线性关系。式中分别是,混合长度、卡门常数、离地高度卡门常数经风洞试验结果为
0.4,后经精密测量,在大气中应为0.35l
=
ezu
'
=
-
l
¶u
¶z¶up
'zx
=
-ru
'
w'
=
rw'l¶zw
'
=
c
u
'
=
-
c
l
¶u
¶zX方向的动量输送(单位质量的动量为速度)X方向动量的铅直输送通量(铅直切应力)铅直脉动X方向动量的铅直输送通量22)zxp
'
=-ru'w'
=
rcl
(¶u¶zp
'
=
rl
2
(
¶u
)2¶zp
'
=
re2
z2
(
¶u
)2¶z*p
'
ru
=由混合长得出了切应力为:将上式代入得引入新参数,为摩擦速度,可近似看作切应力随高度改变,上式可改写为:对上式积分可得,¶u
=
u*¶z
ezuu
=
*
ln
z
+
ce上式愈接近地面风速愈小的趋势与实况完全一致,
但z=0处平均风速趋于无穷的结论是不符合实际的,说明上式不适用于地面。实验表明,平均风速为0的高度往往出现在离地面某一高度z0,z0的大小与粗糙单元(如草、庄稼、沙面等)的尺度有关,通常称z0为地面粗糙度。]ze
z0
Lu
=
u*
[ln
z
+
5稳定层结不稳定层结2)(222uzp1
+
x2
1
+
xu
=
*
[lne
z0-
ln[() ]
-
2arctg
(
x
+
)]指数风速廓线的推导在非中性层结时,风速廓线可以用简单指数律表示,可以用斯米特(Schmit)的半经验理论导出,假设混合长随高度呈指数规律变化。摩擦风速将L代入,然后对Z积分1l
=
l z
p*u
=
l
(
¶
u
)¶
zu*z1-
pu
=+
cl1
(1
-
p
)C为积分常数,当取边界条件为上式为:假设则有两式相比z
=
0u
=
0u*z1-
pu
=l1
(1-
p)1-
p
=nz
=
z1u
=
u11u
*z
nl
nu
=111u*
z
nl
nu
=1nzu
=
u1
(
z
)实测资料表明,参数n取决于稳定度,层结越不稳定n值越小,中性层结时n大致等于1/7左右。指数律在离地面几米高度以上的大气层中一般是比较适合的,但在紧靠地面附近,特别是在中性层结时,与实况的符合程度不如对数律。实际中,由大气稳定度及下垫面为城市或乡村,取不同的值。大气中的湍流运动湍流,是大气的不规则运动。风速时大时小,具有阵性的特点,在主导风向上也会出现上下左右不规则的阵性搅动,这就是大气湍流。湍流产生的原因可以分为动力和热力作用,动力作用主要指风速的切变,即风速风向随高度的变化,切变是指空气运动在空间中的不均匀性,它产生的原因主要是地面摩擦、地形的阻挡、起伏造成。热力作用主要指由于空气内部温度不均匀并且造成不稳定导致的湍流发展。在大温垂直分布呈强递减时,热力因子起主要作用,在中性层结中动力因子起主要作用。大气总处在湍流运动中,有不同尺度的湍流,从几百米到几毫米,污染物被不同尺度的湍流夹带、输送,由于湍流是无规则的运动,大小和方向都是随机的,所以湍流使污染物向不同方向扩散。污染物在风的作用下向下,风方向飘移同时,在湍流作用下向周围逐渐扩散。所以说污染物扩散的主要因子是湍流。在污染物扩散的不同阶段,不同尺度的湍流起不同的作用,当烟囱排放一团烟团,刚开始是小尺度的湍流,使烟团相对缓慢变大,边缘与空气混合,浓度降低,之后由大尺度的湍流将烟团进一步扩散,浓度进一步降低。湍流各层流体之间有强烈的混合作用,这种无规则的运动称为湍流。当
湍流强盛时,分子过程所做的输
送已不再重要。1883年,雷诺系统地研究了流体中湍流产生的条件。r
vl
mRe
=r
和m
分别表示流体的密度和黏度,v
为特征流速,L
表示流动涉及的特征长度.摩擦力与层流摩擦力是气体呈现层流时,气层与气层之间运动速度不同时,之间产生的力,或者气层相对于地面运动时产生的力。从分子运动论观点解释层流与摩擦力,在以一定速度流动着的气层内,分子都以相同的输送速度,但不同气层间分子输送速度不同,当分
子由于不规则运动从较快的气层进入较慢的气层时,它们带入了较大的动量,使较慢的气层加速,相反,分子从较慢的气层进入较快气层时带入较小的动量,使气层减速。摩擦力的产生是由分子无规则运动引起的,也称为分子粘性。湍流层流(片流)——各层互不相扰的分层流动湍流——流动具有混杂、紊乱的特征.层流和湍流可用雷诺数判定,Re临为临界雷诺数,
Re
<Re临——层流
Re
>Re临——湍流r
vl
mRe
=湍流粘性系数如果把湍流涡团的脉动与分子热运动进行比拟,分子热运动带来的动量传输,派生出层流粘性系数,可否把湍流涡团的脉动带来的动量输运,也派生出湍流粘性系数呢?Boussinesq于1877年提出雷诺应力由杂乱无章的微团运动而引起的,并定义:jij
i
j¶vit
¶xt
=
-rv¢v¢=
m湍流粘性系数=
m1
+
mtmeff有效粘性:把湍流的输运作用仅表现为分子粘性系数值的增大,时均方程由此得到简化,对湍流的模拟变为如何确定湍流粘性系数的问题。
x
zyx
x
¶v¢v¢
¶p¶x+
z x
-¶v¢y
v¢x¶y
¶z+
¶x+
+
x
¶x
¶v
¶v
¶v
¶v¢2
x
x
x
¶y2
¶z
2
x
¶y
¶z
¶x2
¶2v
¶2v
¶2v
-
r+
v
=
mr
v
+
v湍流流动混合长度模型根据分子运动论,气体分子杂乱无章的运动而产生的粘性为:31m
=
1
rLv分子运动的平均自由程普朗特:类比,湍流粘性由杂乱无章的流体微团运动引起,应该也有如上形式:mj¶x¶vitijm
=
- =
rL
v¢t普朗特混合长度普朗特假设:jm
¶x¶viv¢=
L流体微团在流动中由于脉动而从某处到达混合长度距离后的另一处时,脉动速度的量值恰为两处的速度之差。j
jij
i
jm
¶x
¶x¶vi
¶vit
=
-rv¢v¢=
rL2jij
i
j¶vit
¶xt
=
-rv¢v¢=
m这样,确定了混合长度,湍流问题就可以化为层流问题来处理。确定混合长度的一般方法没有找到,对于一些特殊流动,人们给出了混合长度的表达式。自由射流:充分发展的管内湍流流动
Lm
=
Cd
R
y
4R
y
2DL
m
=
0.14
-
0.081-
-
0.061-湍流流动的定解问题混合长度模型应用时间最长,经验最丰富的一种湍流粘性系数模型,优点在于模型简单。局限:它认为湍流脉动速度与当地时均速度梯度成正比,因而速度梯度为0时,脉动速度也为0,与客观事实不符;因为代数方程模型不能反映湍流过程中特征量的对流与扩散作用,不能应用于复杂的边界类型流动。j
jij
i
jm
¶x
¶x¶vi
¶vit
=
-rv¢v¢=
rL2单方程模型m
i
¶x
j¶vtijm
=
-
=
rL
v¢t普朗特假设:1K
2v¢m21mt¶vitijm
=
-
=
C
rK
L
212iv¢K
=¶x
j其中,湍流脉动动能湍流流动层流Re小(1000-2320)流体运动看上去规则,各部分好像是分层流动质点的迹线或流场的流线光滑物理理解清楚Re
=
rvlm湍流Re大(12000-13800)流体运动看起来极不规则脉动与旋涡叮叮咚咚等等物理理解很不清楚圆管流动的临界雷诺数:Re
=
rvD
=
2100m湍流的基本物理特性:脉动与旋涡脉动湍流最主要的特征是脉动,即使在宏观稳定的湍流中,湍流的主要参数,如速度、压力、密度、温度等,也总要产生脉动,从本质上这是一种非稳定现象。zvvzvz
=
vz
-
vz脉动性是一种随机现象,即使保持相同的条件重复做试验,每次得到的速度脉动曲线也是不相同的,但时均速度曲线大致相同:随机现象个别试验的结果可能没有规律性,但大量试验结果的平均值是有一定规律的。时均值:取一时间间隔,使之比湍流的振荡时间要长得多,比宏观特征时间又要短得多,在该时间间隔内做时间平均:tt0v
dtv
=
1zzz
zzv
=
v
+
v湍流的物理特性旋涡湍流的另一个特征是旋涡,即流体中存在着的局部迅速旋转的流体微元,并且这些流体微元处于不断的形成、变化与被破坏过程中。旋涡的形成:粘性的作用,速度梯度存在时,上下流层间的剪切力构成了力矩,从而可能产生旋涡。外界作用使流层产生波动。旋涡的运动:脱离原来的流层多个小旋涡合并成大旋涡大旋涡分裂成多个小旋涡旋涡的消失湍流的物理特性二、气温与大气稳定度温度是衡量大气能量变化的尺度,气温的垂直和水平分布影响空气的流动,尤其是气温的垂直分布。大气温度层结是指大气垂直方向的气温分布状况,气温的垂直分布决定着大气的稳定度,大气的稳定程度又影响着湍流的强度,是影响大气污染的一个重要因素。。大气越不稳定对污染物的扩散稀释能力越强,大气越稳定对污染物的扩散稀释能力越弱,特别是在出现逆温层时,污染物往往可积聚到很高浓度,造成严重的大气污染事件。在对流层内气温分布的规律是随着高度的增加,气温递减,空气上层冷下层暖;因此,大气在垂直方向不稳定时对流作用显著,能使污染物在垂直方向上扩散稀释。气温的垂直变化气温直减率(大气)干空气绝热温度递减率-干绝热直减率(空气团)一般满足,大气绝热过程,系统与周围环境无热交换T定性空气块T压缩(外气对它做功) 内能(由压力变化引起)空气块 膨胀(做功) 耗内
能¶zg
=
-
¶T
ddTidzg
=-干气团在垂直升降过程中服从热力学第一定律,即:可以写为上式右边第一项中,分别为为定容比热,温度变化,第一项为系统内能的增加。上式右边第二项中,分别为功
热当量,大气压强,体积变
化,第二项为系统对外做功。dQ
=
dU
+
dWdQ
=
CvdT
+
APdv气团可视为理想气体,并设气团的压力与周围大气的气压随时保持平衡,在绝热过程中有:上式可改写为:将两式代入,并取热力第一定律可以改为:Pv
=
RTPdv
+
vdP
=
RdTC
p
-
C
v
=
A
RPdQ
=
CpdT
-
ART
dP不与外界进行热交换时对上式积分,从P1到P(T1到T)取则dQ
=
0dT
=
AR
dPT
Cp
P
ART
P
1T
P=
(
1
)
CpCvCp
=
c
=1.404Cp
cAR
=
c
-1
=
0.288气温直减率定量:热力学第一定律dT
=
R
dpT
Cp
pdT
=
R
dp
=k
-1
dp
(第一定律+状态方程)T
Cp
p
k
p其中Cp
-
Cv
=
Rk
=
Cpkv
=
1.4气温直减率zpi
+
dpivi
+
dviTi
+
dTip
+
dpv
+
dvT
+
dTvvivTiT气块:pi环境:pz
+
dz(大气)
(气块)
(高度)=
R
dpiTi
Cp
pidz对气团:dTi流体准静力学条件:pi=
p,pi
+
dpi
=
p
+
dp(1)由dp
=-rg
代入式(1)可得:dTi=
R
-rgdz
Ti
Cp
p气温直减率代入上式得:i实际中,T
、T
相差<10K,则TTi»1)MR
(8.314)mp
=
RT
=rRT(空气R
=287
=vJ
kg
K-1-1dTi
=
R
-rgdzT
Cp
rRT()由定义:d=
0.98K
/100mip-dT
=
gdz
Cg
=pC
=
1004J
kg-1K-1-泊松方程0.288pRCT
PPT0
P0P0=
(
)
=
(
)位温10001000
0.288)RCpPPq
=T()
=T(位温:各高度均把压力换算为1000mb(10kPa)时的温度(绝热)位温是指气快按干绝热过程移动到1000hpa等压面时所具有的温度气温的垂直分布(温度层结)气温的垂直分布-温度层结¶Tg
=-¶zg
>
0
,g
=
gd
,g
<
0
,正常分布层结中性层结(绝热直减率)g
=0
,
等温层结逆温层结大气稳定度及其判据外力使气块上升或下降气块去掉外力定义:大气在垂直方向上稳定的程度;反映其是否容易对流定性描述:气块减速,有返回趋势,稳定气块加速上升或下降,不稳定气块停在外力去掉处,中性不稳定条件下有利于扩散大气稳定度及其判据定量判断pi
rrip
rTi
T气块:环境:T
Ta
=
g(Ti
-T
)
=
g(Ti-1)ripi
=
p
=
rRT
=
ri
RTi(单位体积块)加速度a
=g(r
-ri
),将代入上式得:T
=T0
-gDz气块:
Ti
=
Ti
0
-gd
Dz环境:z
fi
z
+
Dz高度(一般均满足绝热条件)大气稳定度及其判据T0
=Ti
0
则有a
=
g
(g
-gd
)
DzT判据:g
-gdg混合层g
-gd
<0,>0,
a>0a<0g
-gd
=0,a=0中性层稳定层<0
,
a<0不稳定稳定中性逆温,非常稳定烟流形状与大气稳定度的关系波浪型(不稳)锥型(中性or弱稳)扇型(逆温)爬升型(下稳,上不稳)漫烟型(上逆、下不稳)Pasquill(帕斯圭尔)法Pasquill稳定度分级方法是环境影响评价中常用的方法。该方法认为可将太阳高度角、云量和风速来判断大气稳定度。大气稳定度分为:强不稳定(A)、不稳定(B)、弱不稳定(C)、中性(D)、较稳定(E)、稳定(F)三、辐射和云对大气污染的影响晴天白昼,特别是午后,太阳辐射最强,地面强烈增温,温度层结是递减的,大气极不稳定。晴夜,地面有效辐
射大,地面降温快,因而形成逆温,大气极为稳定。日
出日落后为转换期,大气接近中性状态。云对辐射起屏障作用,它既阻挡白天的太阳辐射,又阻挡夜间地面向上的辐射,从而使垂直温度梯度减小,使白天递减和夜间逆温均受到削弱。减弱的程度决定于云量的多少。阴天,温度层结的昼夜变化几乎消失.大气接近中性状态。四、降水和雾降水对清除大气中的污染物起重要的作用,一些气态污染物能溶于水或与水发生化学反应,颗粒物与雨滴碰撞后会附着在雨滴上,因此降水能够迁移空气污染物的作用。雾能够清洗空气中的气态污染物和颗粒污染物,但雾通常出现在近地气层很稳定条件下,所以雾的出现通常不利于空气污染物的扩散。五、天气形势与下垫面条件在低压控制下,空气存在上升运动,云量较多,风速较大,大气层结多为中性或不稳定状态,有利于污染物的扩散稀释。在高压控制下,通常风较小,并有下沉运动,近地层易形成逆温,阻止了污染物的扩散稀释。冷锋到达前大气污染常较严重,冷锋过境后大气污染物明显减轻在有城郊风、海陆风、山谷风等地方性环流会对空
气污染物的输送路径、范围及散布产生很大的影响。抑制大气污染物向远处的扩散第三节大气中污染物的扩散模式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.烟囱高度设计大气扩散描述的基本途径欧拉方法,相对于固定坐标系,描述污染物的输送与扩散。拉格朗日方法,跟随流体移动的粒子来描述污染物的浓度及其变化。每种都能描述污染物的输送与扩散,但都有困难,从而影响到污染物的浓度与精确计算。实际是将两者结合。任何涉及浓度都是有一定时段的,没有时段的浓度是没有意义的,一般平均时间为10分钟,一小时和日平均。0tqdtq
=
1t空气污染物散布的一些基本特性(1)污染物的浓度为单位体积的空气中含的污染物的质量,单位为g/m3.平均浓度q
,瞬时浓度q坐标系以点源所在的位置为坐标原点,到平均风向取为x轴,y轴为横侧风向,z轴不垂直方向。(2)扩散系数大量观测表明,空气污染物以烟流形式排放,处在湍流随机运动之中,其浓度通常符合烟流两侧呈正态分布的规律。由是风向横侧风向污染物散布范围可用云宽(2y0)和浓度分布标准差(
s
y
)来表示。2y0定义为沿y轴,污染物浓度下降到等于轴线浓度的
1/10处的两点间的距离s
y为横向浓度分布的标准差,它是在某个下风距离,污染物在y向位移的平方平均值的方根。它表征与平均值有偏离程度,所以它可以表征湍流扩散的
速率和散布范围。通常取x轴与平均浓度轴线相一致,于是上式第二项为
0,则有)2ys2
=-(
qy2
qy
q
qys2
=
qy2
q将上式积分若浓度分布对x轴对称,则有当污染物的浓度在y轴方向为高斯分布时,坐标y处的浓度为yqy2dyqdys¥-¥¥-¥2
=200yqy
dyqdys¥¥2
=20yy22s-q
=
q
e0
为轴线上浓度qs
ys
z可表示污染物的散布范围,两则大,表示烟流中的浓度低,两者称为扩散参数,具有以下性质:随着扩散距离x的加长,两者增大,即扩散参数是离源距离的函数。随大气层结稳定度而改变,大气层结不稳定,湍流强烈,扩散参数量值增大,反之变小。相同气象条件下,下垫面粗糙度增大,扩散参数值增大。大量观测数据可得以下经验式P、g及其比例系数与大气层结稳定度和下垫面条件等有关ps
y
¥
xgs
z
¥
x(3)轴线浓度湍流扩散造成的轴线浓度与扩散参数有关近中性时,近地面源有1s
ys
xq¥q¥
x-(
p+g
)p
+
g
@
1.8由直接测量示踪剂浓度方法,可得平均浓度值随采样时间
变化的经验式Q1、q2为不同采样时段t1、t2所测的浓度,a为大气稳
度和离源距离的函数a值可由不同的采样时间测量的浓度计算得到。Tuner建议10分钟至2小时之间a=0.17-0.2012aqq1
tt2=
(
)q1lg(
)qt1lg(
)t2a
=
2
湍流扩散理论气体污染物进入大气后,一面随大气整体飘移,同时由于湍流混合,使污染物从高浓度区向低浓度区扩散稀释,其扩散程度取决于大气湍流的强度。大气扩散理论就是用数理方法来模拟各种大气污染源在一定条件下的扩散稀释过程,用数学模型计算和预报大气污染物浓度的时空变化规律。研究物质在大气湍流场中的扩散理论主要有三种:梯度输送理论、相似理论和统计理论。针对不同的原理和研究对象,形成了不同形式的大气扩散数学模型。由于数学模型建立时作了一些假设,以及考虑气象条件和地形地貌对污染物在大气中扩散的影响而引入的经验系数,目前的各种数学模式都有较大的局限性,应用较多的是采用湍流统计理论体系的高斯扩散模式。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,正态分布萨顿实用模式高斯模式3.相似理论湍流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。”它是一维的大气扩散方程式,是
经典的热传导方程式湍流梯度输送理论的基本假定是:由湍流所引起的局地的某种属性的通量与这种属性的局地梯度成正比,通量的方向与梯度方向相反,比例系数K
称为湍流交换系数。xru
'
q
'
=
-rk
¶q¶xyrv
'
q
'
=
-rk¶q¶yzrw
'
q
'
=
-rk
¶q¶z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。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。泰勒是湍流统计理论的创始人之一。他在1921
年发表的论文中,首先应用统计学的方法来研究湍流扩散问题,提出了著名的泰勒公式。它把描写湍流的扩散参数Y2(t),和另一统计特征量相关系数R建立起关系,只要能找到相关系数的具体函数,通过积分就可求出扩散参数Y2(t),污染物在湍流中扩散问题就得到解决。萨顿首先找到了相关系数的具体表达式,应用泰勒公式,提出了解决污染物在大气中扩散的实用模式,成为这一领域的先驱者。高斯烟流模式是在大量实测资料分析的基础上,应用统计理论得到的。它是目前应用较广的模式。湍流依然受到宏观物理规律的制约,满足连续性方程与纳维-斯托克斯方程及相应的定解条件。湍流运动是一种极不规则的随机运动,脉动频率很高,从一般给定时间的条件去求解瞬时运动是不可能的。从实际应用角度看,某种统计平均值比瞬时值更重要。t0=
1tv
dtvzzvz
=
vz
+
vz为控制变量雷诺方程:以时均值vz0ttv¢dt
=
0v¢=
1zz00tv¢dt
=
0¶x
tdt
=
¶
1¶x
t
¶xz¶v¢z
=
1
t
¶v¢zzz¶x¶vtv
dt
=¶x
t
¶x
¶x
t00t
¶vz
dt
=
¶
1¶vz
=
1湍流流动的雷诺方程dzzzz¶xv¢¶xv¢=tttt
=
¶vzdt
+dt
=0001
¶t
¶x1
¶vt
¶x¶vz
1
¶
v
+¶x
t时均化与偏微分相互独立,表现在数学上,可交换运算次序。湍流流动的雷诺方程vxvy
=
vxvy
+
v¢xv¢y=¶x
¶x¶vz
¶vz
z
=
z
¶x2
¶x2¶2v
¶2v=
0¶x¶v¢z¶x2¶2v¢
z
=
0时均化与偏微分相互独立,表现在数学上,可交换运算次序。vxvyvxvy
=
(vx
+
v¢x
)(vy
+
v¢y
)=
vxvy
+
v¢xvy
+
vxv¢y
+
v¢xv¢y物理量=¶x
¶x¶vz
¶vz湍流流动的雷诺方程vxvy
=
vxvy
+
v¢xv¢yvz
=
vz
+
vz=
0+
¶vz¶vx
+
¶vy¶x
¶y
¶z控 制 方 程=
0+
¶vz¶yvx
x
+
v
y
x
+
vz
x
=
x
+
x
+
x
-¶x¶v
¶v¶vx
+
¶vy¶x
¶y
¶z1
¶pr
¶x¶z
r
¶x
2
¶y
2
¶z
2¶v
m
¶2
v
¶2
v
¶2
v
zx
yy
=
y
+
y
+
y
-¶y¶vv
y
+
v
y
+
v¶x¶v1
¶pr
¶y¶z
r
¶x
2
¶y
2
¶z
2¶v
m
¶2
v
¶2
v
¶2
v¶yvx
z
+
v
y
z
+
vz
z
=
z
+
z
+
z
-¶x¶v
¶v1
¶p¶z
r
¶x
2
¶y
2
¶z
2
r
¶z¶v
m
¶2
v
¶2
v
¶2
v
时均化与偏微分相互独立,表现在数学上,可交换运算次序。凡有带脉动瞬时量的乘积项存在时,就多出一项:单个带脉动的瞬时量时均化时,相当于把瞬时量换成时均量;对于带脉动瞬时量的乘积项,除把瞬时量换成时均量外,还多出一项--脉动量乘积的时均量。¶vz
=
¶vz¶x
¶x6.2
湍流流动的雷诺方程=
0+
¶vz¶vx
+
¶vy¶x
¶y
¶z控 制 方 程=
0+
¶vz¶vx
+
¶vy¶x
¶y
¶z¶yvx
x
+
vy
x
+
vz
x
=
x
+
x
+
x
-¶x¶v
¶v
¶v¶y2
¶z
2
r
¶x¶z
r
¶x2m
¶2v
¶2v
¶2v
1
¶pzyx¶x
x
¶z¶v¢v¢
¶p+
z x
-¶y¶v¢y
v¢x+
¶x+¶z
¶y
¶v
¶v
x
+
v
x
+
v
x
¶x
¶v
¶v¢2
x
x
x
¶x
¶y2
¶z
22
¶2v
¶2v
¶2v
-
r
=
m
+r
vzyx¶p
¶z
¶y¶x
¶y¶z
¶y¶x
¶v
¶v
¶v
¶x2
¶y2
¶z
2
¶2v
¶2v
¶2v
¶v¢v¢
¶v¢2
¶v¢v¢
y
+
v
y
+
v
y
=
m
y
+
y
+
y
-
r
x y
+
y
+
z y
-r
vzyx
x
z
+
z
-¶v¢y
v¢z+¶x
¶y
¶z
¶z
¶v¢v¢+¶z
¶y
¶v
¶v
z
+
v
z
+
v
z
¶x
¶v¶v¢2
¶p
z
z
z
¶x
¶y2
¶z
22
¶2v
¶2v
¶2v
+
-
r
=
mr
v雷诺方程tij
=
-rvi¢v¢j6.2
湍流流动的雷诺方程核心:找出雷诺应力满足的方程雷 诺 方 程¢x
+
¶v¢y
v¢x2x
¶y2¢x
v¢y
+
¶v¢y¶x
¶y¢v¢z
+
¶v¢y
v¶x
¶y¶vx
+
¶vy
+
¶vz
=
0¶x
¶y
¶z
¶v
¶v
¶v
¶2v
¶2v
¶2v
¶v
¶v¢v¢
¶pr
vx
x
+
vy
x
+
vz
x
=
m
x
+
x
+
x
-
r
+
z x
-
¶x
¶y
¶z
¶x2
¶y2
¶z
2
¶
¶z
¶x
¶v
¶v
¶v
¶2v
¶2v
¶2v
¶v
¶v¢v¢
¶pr
v
y
+
v
y
+
v
y
=
m
y
+
y
+
y
-
r
+
z y
-
x
¶x
y
¶y
z
¶z
¶x2
¶y2
¶z
2
¶z
¶y
¶v
¶v
¶v
¶2v
¶2v
¶2v
¶v
¢z
¶v¢2
¶pr
vx
z
+
vy
z
+
vz
z
=
m
z
+
z
+
z
-
r
x
+
z
-
¶x
¶y
¶z
¶x2
¶y2
¶z
2
¶z
¶z
混合长度模型单方程模型双方程模型雷诺应力模型湍流流动的定解问题湍流粘性系数如果把湍流涡团的脉动与分子热运动进行比拟,分子热运动带来的动量传输,派生出层流粘性系数,可否把湍流涡团的脉动带来的动量输运,也派生出湍流粘性系数呢?Boussinesq于1877年提出雷诺应力由杂乱无章的微团运动而引起的,并定义:jij
i
j¶vit
¶xt
=
-rv¢v¢=
m湍流粘性系数=
m1
+
mtmeff有效粘性:把湍流的输运作用仅表现为分子粘性系数值的增大,时均方程由此得到简化,对湍流的模拟变为如何确定湍流粘性系数的问题。
x
zyx
x
¶v¢v¢
¶p¶x+
z x
-¶v¢y
v¢x¶y
¶z+
¶x+
+
x
¶x
¶v
¶v
¶v
¶v¢2
x
x
x
¶y2
¶z
2
x
¶y
¶z
¶x2
¶2v
¶2v
¶2v
-
r+
v
=
mr
v
+
v湍流流动的定解问题混合长度模型根据分子运动论,气体分子杂乱无章的运动而产生的粘性为:31m
=
1
rLv分子运动的平均自由程普朗特:类比,湍流粘性由杂乱无章的流体微团运动引起,应该也有如上形式:mj¶x¶vitijm
=
- =
rL
v¢t普朗特混合长度普朗特假设:jm
¶x¶viv¢=
L流体微团在流动中由于脉动而从某处到达混合长度距离后的另一处时,脉动速度的量值恰为两处的速度之差。j
jij
i
jm
¶x
¶x¶vi
¶vit
=
-rv¢v¢=
rL2jij
i
j¶vit
¶xt
=
-rv¢v¢=
m这样,确定了混合长度,湍流问题就可以化为层流问题来处理。确定混合长度的一般方法没有找到,对于一些特殊流动,人们给出了混合长度的表达式。自由射流:充分发展的管内湍流流动
Lm
=
Cd
R
y
4R
y
2DL
m
=
0.14
-
0.081-
-
0.061-湍流流动的定解问题混合长度模型应用时间最长,经验最丰富的一种湍流粘性系数模型,优点在于模型简单。局限:它认为湍流脉动速度与当地时均速度梯度成正比,因而速度梯度为0时,脉动速度也为0,与客观事实不符;因为代数方程模型不能反映湍流过程中特征量的对流与扩散作用,不能应用于复杂的边界类型流动。j
jij
i
jm
¶x
¶x¶vi
¶vit
=
-rv¢v¢=
rL2单方程模型m
i
¶x
j¶vtijm
=
- =
rL
v¢t普朗特假设:12Kv¢m21mt¶vitijm
=
- =
C
rK
L
212iv¢K
=¶x
j其中,湍流脉动动能湍流流动的定解问题单方程模型mij12tmt¶vi¶x
jm=
-
=
C
rK
L湍流脉动动能K满足的方程由瞬时动量方程与时均值动量方程之差得出的脉动动量方程来给出,最终形式为:mjjjL3C
rK
2i
j¶x
¶x¶v
¶vt
¶x
eff
+
m
i
+
j
i
-
D
j
K j
¶K
¶v¶x
s
¶x
¶
mr
+
(rv
K
)=¶t
¶x¶K
¶积累项 对流项 扩散项 生成项 耗散项解决了混合长度模型的局限局限:压力脉动项是使雷诺应力改变方向的重要因素,它没有单独处理;的确定Lm。reijij
i
j¶x
¶x+
¶v
¶v
¶vt
¶xG
=
m
湍流流动的定解问题mjjL23C
rKr
i
-
D
i
j¶x
¶x¶v
j
¶vt
¶xj
K j
+
m
i
+¶K
¶v¶x
s
¶x
¶
meff+
(rv
j
K
)=¶t
¶x¶K
¶K
-e
双方程模型re定义湍流脉动动能的耗散率:mLK23e
¶¢ijjiv¢
¶x
¶x
¶ve
=n1=
Cm
rK
2
Lm
tij
¶vi¶x
jmt
=
-eK
2jtij=
Cm
r¶x¶vimt=
-
+
G
-
rex¶K
¶x
s
¶
¶t
¶x¶K
¶KjK¶
meffjjr
+
v
j
=re2e1j+
(C
G
-
C
re)¶e
e¶x
s
¶x
K
¶
meff=j
j
e
j
+
v¶t
¶x
¶e
¶e
工业应用上取得巨大成功,近期仍将广泛应用+连续性方程+雷诺方程湍流流动的定解问题边界条件41k
*vy
C
Kln
P
12PPEy+mm
=mt¶y¶K
=
0固体壁面:壁面函数法代替K-e双方程模型去计算壁面附近的有效粘性系数PC
Kk
*
y32P43me
=入口处:K取来流平均速度的一个百分比,0.5~1.5出口处:可按坐标局部单向化处理对称线:常取垂直于轴线的变化率为0湍流流动的定解问题高斯模式的有关假定:坐标系右手坐标,y为横风向,z为垂直向四点假设a.污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布b.全部高度风速均匀稳定c.源强是连续均匀稳定的d.扩散中污染物是守恒的(不考虑转化)湍流统计理论假定从原点释放出一个粒子在稳定均匀的湍流大气中飘移扩散,平均风向与x轴同向。湍流统计理论认为,由于存在湍流脉动作用,粒子在各方向(如图中y方向)的脉动速度随时间而变化,因而粒子的运动轨迹也随之变化。若平均时间间隔足够长,则速度脉动值的代数和为零。如果从原点释放出许多粒子,经过一段时间T之后,这些粒子的浓度趋于一个稳定的统计分布。高斯扩散模式高斯扩散模式的坐标系由假定d
源强积分式(单位时间物质守恒)无界空间连续点源扩散模式由正态分布假定,得下风向任一点的浓度分布2
2c(
x,
y,
z)
=
A(
x)e-ay
e-bz方差的表达式200¥yy
cdycdys
2
=200¥
¥¥zz
cdzcdzs
2
=¥
¥-¥
-¥q
=
ucdydz1=2s
2)未知数:浓度c,待定函数A(x),待定系数a,b(积分,可以解出四个未知数:得到高斯模式exp[-(
+
)]2y2zy
zqy2
z22s2sc(
x,
y,
z)
=2πus
s高斯烟流的形态exp[-(
+
)]2y2zy
zqy2
z22s2sc(
x,
y,
z)
=2πus
s高斯烟流的浓度分布高斯烟流中心线上的浓度分布高架连续点源扩散模式镜像全反射---->像源法实源:像源:c(x,
y,
z,
H
-
z)c(x,
y,
z,
H
+
z))]2yyy
zqy22s2s
2(z
-
H
)2c(
x,
y,
z,
H
)
=2πus
sexp[-(+实源的贡献)]2yzy
zqy22s2s
2(
z
+
H
)2c(
x,
y,
z,
H
)
=2πus
sexp[-(+像源的贡献]}2yyzy
zqy22s2s
22s
2(z
-
H
)2(z
+
H
)2c(
x,
y,
z,
H
)
=2πus
sexp(-){exp[-]
+
exp[-实际浓度高架连续点源扩散模式exp(-
)
exp(-
)2y2zy
zqy2H
22s2sc(
x,
y,
0,
H
)
=πus
s地面浓度模式:取z=0代入上式,得exp(-
)2zy
zqH
22sc(
x,
0,
0,
H
)
=πus
s地面轴线浓度模式:再取y=0代入上式exp(-
)2zy
zqH
22sc(
x,
0,
0,
H
)
=πus
s上式,x增大,则s
y、s
z增大,第一项减小,第二项增大,必然在某x
处有最大值地面最大浓度模式:考虑地面轴线浓度模式高架连续点源扩散模式s
zmaxyc
=2q
*s
zπuH
2e
s2s
|z
x=xcmax=
H地面最大浓度模式(续):设
s
y=const
(实际中成立)dc(
x,
0,
0,
H
)
=
0ds
z由此求得2y2zy
zqy2
z2c(
x,
y,
z,
0)
=
exp[-(
+
)]πus
s
2s
2s地面源高斯模式(令H=0):相当于无界源的2倍(镜像垂直于地面,源强加倍)地面源扩散模式颗粒物扩散模式粒径小于15μm的颗粒物可按气体扩散计算大于15μm的颗粒物:倾斜烟流模式地面反射系数exp(-
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