1、主要内容主要内容:1.湍流扩散的基本理论湍流扩散的基本理论2.高斯扩散模式高斯扩散模式3.污染物浓度的估算方法污染物浓度的估算方法4.特殊气象条件下的扩散模式特殊气象条件下的扩散模式5.城市及山区的扩散模式城市及山区的扩散模式6.烟囱高度设计烟囱高度设计学习要求学习要求:掌握大气扩散的理论和扩散模式，学会估算污染物浓度、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烟气抬升高度，确定烟囱高度和厂址 扩散的要素扩散的要素n风风：平流输送为主，风大则湍流大平流输送为主，风大则湍流大n湍流：扩散比分子扩散快湍流：扩散比分子扩散快10105 510106 6倍倍湍流
2、的基本概念湍流的基本概念 n 湍流湍流大气的无规则运动大气的无规则运动 w风速的脉动风速的脉动w风向的摆动风向的摆动起因与两种形式起因与两种形式 n热力：温度垂直分布不均（不稳定）热力：温度垂直分布不均（不稳定）n机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系1.1.梯度输送理论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2.2.湍流统计理论湍流统计理论 泰勒泰勒图图4-1，正态分布，正态分布 萨顿
3、实用模式萨顿实用模式 高斯模式高斯模式 高斯模式的有关假定高斯模式的有关假定n坐标系坐标系 右手坐标，右手坐标，y为横风向，为横风向，z为垂直向为垂直向n四点假设四点假设 wa污染物浓度在污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布风向上分布为正态分布wb全部高度风速均匀稳定全部高度风速均匀稳定wc源强是连续均匀稳定的源强是连续均匀稳定的wd扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）高斯扩散模式的坐标系高斯扩散模式的坐标系由正态分布假定，得下风向任一点的浓度分布由正态分布假定，得下风向任一点的浓度分布 (4-1)方差的表达式方差的表达式 (4-2)由假定由假定d 源强积分式
4、源强积分式 （单位时间物料守恒）（单位时间物料守恒）(4-3)未知量：浓度未知量：浓度C，待定函数，待定函数A(x)，待定系数，待定系数a,b把式把式(4-1)代入代入(4-2)中，积分得：中，积分得：（4-4）22(,)()eeaybzc x y zA x2200ddyy c yc y2200ddzz c zc zd d quc y z221/2,1/2yzab将式（将式（4-4）和（）和（4-1）代入式（）代入式（4-3）中，积分得：）中，积分得：（4-5）将式（将式（4-4）、（）、（4-5）代入式（）代入式（4-1）得无界空间连续点源扩）得无界空间连续点源扩散的高斯模式：散的高斯模式：
5、（4-6）()2yzqA xu 2222(,)exp()222yzyzqyzc x y zu 镜像全反射镜像全反射-像源法像源法n实源：实源：n像源：像源：(,)c x y z Hz(,)c x y z Hz2222()(,)exp()222yyyzqyzHc x y z Hu n实实源源的的贡贡献献2222()(,)exp()222yyyzqyzHc x y z Hu n实实源源的的贡贡献献2222()(,)exp()222yzyzqyzHc x y z Hu n像像源源的的贡贡献献2222()(,)exp()222yzyzqyzHc x y z Hu n像像源源的的贡贡献献222222()
6、()(,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu n实实际际浓浓度度222222()()(,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu n实实际际浓浓度度（4-7）2222(,0,)exp()exp()22yzyzqyHc x yHu 地地面面浓浓度度模模式式：取取z z0 0代代入入上上式式，得得2222(,0,)exp()exp()22yzyzqyHc x yHu 地地面面浓浓度度模模式式：取取z z0 0代代入入上上式式，得得22(,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地地面面轴轴线线浓浓度度模模式式：再再取取y
7、y=0 0代代入入上上式式22(,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地地面面轴轴线线浓浓度度模模式式：再再取取y y=0 0代代入入上上式式22(,0,0,)exp()2zyzqHc xHu yz上上式式，x增增大大，则则、增增大大，第第一一项项减减小小，第第二二项项增增大大，必必然然在在某某x 处处有有最最大大值值地地面面最最大大浓浓度度模模式式：考考虑虑地地面面轴轴线线浓浓度度模模式式22(,0,0,)exp()2zyzqHc xHu yz上上式式，x增增大大，则则、增增大大，第第一一项项减减小小，第第二二项项增增大大，必必然然在在某某x 处处有有最最大大值值yz上上式式，x增增
8、大大，则则、增增大大，第第一一项项减减小小，第第二二项项增增大大，必必然然在在某某x 处处有有最最大大值值地地面面最最大大浓浓度度模模式式：考考虑虑地地面面轴轴线线浓浓度度模模式式（4-8）（4-9）yzconstd(,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH emax|2czxxH地地面面最最大大浓浓度度模模式式（续续）：设设（实实际际中中成成立立）由由此此求求得得yzconstd(,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH emax|2czxxH地地面面最最大大浓浓度度模模式式（续续）：设设（实实际际中中成成立立）由由此此求求得得2222(,0)exp()22yzyzqyzc
9、x y zu 地地面面源源高高斯斯模模式式（令令H H0 0）：相相当当于于无无界界源源的的2 2倍倍（镜镜像像垂垂直直于于地地面面，源源强强加加倍倍）2222(,0)exp()22yzyzqyzc x y zu 地地面面源源高高斯斯模模式式（令令H H0 0）：相相当当于于无无界界源源的的2 2倍倍（镜镜像像垂垂直直于于地地面面，源源强强加加倍倍）（4-10、11）（4-12）粒径小于粒径小于15m的颗粒物可按气体扩散计算的颗粒物可按气体扩散计算大于大于15m的颗粒物：倾斜烟流模式的颗粒物：倾斜烟流模式w 地面反射系数地面反射系数2222(1)(/)(,0,)exp()exp222tyzyz
10、a qyHv x uc x yHu 2pp18tdgvq 源强源强 计算或实测计算或实测 平均风速平均风速 多年的风速资料多年的风速资料 H 有效烟囱高度有效烟囱高度 、扩散参数扩散参数uyz1.烟气抬升高度的计算烟气抬升高度的计算 初始动量：初始动量：速度、内径速度、内径烟温度烟温度 浮力：温差浮力：温差烟气抬升烟气抬升sHHHsHH烟烟囱囱几几何何高高度度抬抬升升高高度度有有效效源源高高sHHHsHH烟烟囱囱几几何何高高度度抬抬升升高高度度有有效效源源高高抬升高度计算式抬升高度计算式 （1）Holland公式公式：适用于中性大气条件适用于中性大气条件（稳定时减小，（稳定时减小，不稳时增加不
11、稳时增加1020）HollandHolland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比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下偏差更大偏差更大3ssaHs1(1.5 2.7)(1.59.6 10)svDTTHDv DQTuu抬升高度计算式（抬升高度计算式（续）续）（2 2）BriggsBriggs公式：适用不稳定及中性大气条件公式：适用不稳定及中性大气条件 H1 1/32/3sH1 1/32/3sH21000kW 10 =0.362 10 =1.55当时sQxHHQxuxHHQHuH1 1/31/3H3/52/5Hs6/5 3/53/5Hs21000kW 3*=0.362
12、3*=0.332 *=0.33当时QxxHQxuxxHQHxQHu抬升高度计算式抬升高度计算式（续）（续）（3 3）我 国）我 国“制 订 地 方 大 气 污 染 物 排 放 标 准 的 技 术 方制 订 地 方 大 气 污 染 物 排 放 标 准 的 技 术 方法法”(GB/T13201-91)(GB/T13201-91)中的公式中的公式 12Hsa1 nn0HsHaVasHH121sH12 1 0 0 k W()3 5 K =0.3 5 1 7 0 0 k W2 1 0 0 k W1 7 0 0 =()4 0 02(1.50.0 1)0.0 4 =sQTTHn QHuTQP QTTTTQQ
13、HHHHv DQHu(1)当和时(2)当时HHsH1/43/8aH8(1 7 0 0)1 7 0 0 k W3 5 K2(1.50.0 1)=1 0 m1.5 m/s d =5.5(0.0 0 9 8)dQuQTv DQHuTHQz(3)当或时(4)当高 处 的 年 平 均 风 速 小 于 或 等 于时例例4-1 某城市火电厂的烟囱高某城市火电厂的烟囱高100m，出口内径，出口内径5m。出口烟气流速。出口烟气流速12.7m/s，温度，温度100，流量，流量250m3/s。烟囱出口处的平均风速。烟囱出口处的平均风速4m/s，大气温度大气温度20，试确定烟气抬升高度及有效源高。，试确定烟气抬升高度
14、及有效源高。解：用公式（解：用公式（423）计算烟囱的热释放率）计算烟囱的热释放率QH=0.35 978.4250 250(140-20)/(140+273)=24875kW2100kW，且，且T35K，运用式（，运用式（422）计算，查表）计算，查表42得得n0=1.303,n1=1/3,n2=2/3按按“制定原则和方法制定原则和方法”的公式，抬升高度的公式，抬升高度 H=1.303 H=1.303 24875 24875 1/31/3 100 100 2/32/3 4 4-1-1=204.9m=204.9m则有效源高则有效源高H=Hs+H=Hs+H=100+204.9=304.9m H=1
15、00+204.9=304.9mPG曲线法曲线法PG曲线曲线Pasquill常规气象资料估算常规气象资料估算Gifford制成图表制成图表PG曲线的应用曲线的应用n根据常规资料确定稳定度级别根据常规资料确定稳定度级别PG曲线的应用曲线的应用n利用扩散曲线确定利用扩散曲线确定 和和yzPG曲线的应用曲线的应用n地面最大浓度估算地面最大浓度估算Hmax|2czxxzHzxmaxcxyxmaxCw由由和和w由由曲曲线线（图图4-5）反反查查出出w由由曲曲线线（图图4 4-4 4）查查w由由式式（4 4-1 10 0）求求出出yHmax|2czxxzHzxmaxcxyxmaxCw由由和和w由由曲曲线线（
16、图图4-5）反反查查出出w由由曲曲线线（图图4 4-4 4）查查w由由式式（4 4-1 10 0）求求出出y例例4-2 某石油精炼厂自平均有效源高某石油精炼厂自平均有效源高60m处排放的处排放的SO2量为量为80g/s，有效源高处的平均风速为，有效源高处的平均风速为 6m/s，试估算冬季阴天正，试估算冬季阴天正下风向距离烟囱下风向距离烟囱500m处地面上的处地面上的SO2浓度。浓度。解：在阴天条件下，大气稳定度为解：在阴天条件下，大气稳定度为D级，由表级，由表4-4查得，在查得，在x=500m处，处，=35.3m，=18.1m。代入式（。代入式（4-9）得：）得：yz22253(500,0,0
17、,60)exp()280160exp()3.14635.318.12 18.12.7310/zyzQHcugm 稳定度分类方法稳定度分类方法n改进的改进的PT法法 太阳高度角太阳高度角 （式（式4-29，地理纬度，倾角），地理纬度，倾角）辐射等级辐射等级 稳定度稳定度 云量云量（加地面风速）（加地面风速）0arcsinsin sincos cos cos(15300)ht（4-29）式）式扩散参数的选取扩散参数的选取n扩散参数的表达式为（取样时间扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表，按表4-8查算）查算）n平原地区和城市远郊区，平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级向不稳定方
18、向提半级n工业区和城市中心区，工业区和城市中心区，C提至提至B级，级，D、E、F向不稳定方向向不稳定方向提一级提一级n丘陵山区的农村或城市，同工业区丘陵山区的农村或城市，同工业区n取样时间大于取样时间大于0.5h，不变，不变，1221,aayzxx2121()qyyz例例4-3 在例在例4-1的条件下，当烟气排出的的条件下，当烟气排出的SO2速率为速率为150g/s时，试计时，试计算阴天的白天算阴天的白天SO2的最大着地浓度及其出现的距离。的最大着地浓度及其出现的距离。解解：（：（1）确定大气稳定度：根据题设，阴天的白天为）确定大气稳定度：根据题设，阴天的白天为D级。根据扩散参级。根据扩散参数
19、的选取方法，城区中的点源，数的选取方法，城区中的点源，D级向不稳定方向提一级，则应为级向不稳定方向提一级，则应为C级。级。（2）计算最大着地浓度：由例）计算最大着地浓度：由例4-1计算结果，有效源高计算结果，有效源高H=304.9m，由，由式（式（4-11）求得出现最大着地浓度时的垂直扩散参数：）求得出现最大着地浓度时的垂直扩散参数：查表查表4-4或按表或按表4-8中的幂函数计算，在中的幂函数计算，在C级稳定度，级稳定度，=215.6m时，时，由式由式4-10求得最大着地浓度：求得最大着地浓度：max304.9215.63582zx xHmzmax3998,358yxmm53max225.69
20、10/yzQgmuH e主要指气象条件与高斯模式不一样主要指气象条件与高斯模式不一样（温度层结构均一，实际中温度层结构均一，实际中难以实现）难以实现）封闭型扩散模式封闭型扩散模式n相当于两镜面之间无穷次全反射相当于两镜面之间无穷次全反射n实源和无穷多个虚源贡献之和实源和无穷多个虚源贡献之和 nn为反射次数，在地面和逆面为反射次数，在地面和逆面n实源在两个镜子里分别形成实源在两个镜子里分别形成n个像个像22(2)exp2zyzqHnDCu 计算简化：计算简化：1.当当（尚尚未未到到封封闭闭阶阶段段）w（烟烟流流半半宽宽度度）w查查PG曲曲线线w4-9式式计计算算 地地面面轴轴线线浓浓度度Dxx2
21、.15zDHDx1.当当（尚尚未未到到封封闭闭阶阶段段）w（烟烟流流半半宽宽度度）w查查PG曲曲线线w4-9式式计计算算 地地面面轴轴线线浓浓度度Dxx2.15zDHDx011d1DzDD2.当当，z z向向浓浓度度混混合合均均匀匀，z z分分布布函函数数为为D2xx22(,)exp()22yyqyc x yuD011d1DzDD2.当当，z z向向浓浓度度混混合合均均匀匀，z z分分布布函函数数为为D2xx22(,)exp()22yyqyc x yuD2.当当，z z向向浓浓度度混混合合均均匀匀，z z分分布布函函数数为为D2xx22(,)exp()22yyqyc x yuDDD2xxx3.
22、DxxD2xx内内插插（假假定定变变化化为为线线性性），按按z值值插插值值DD2xxx3.DxxD2xx内内插插（假假定定变变化化为为线线性性），按按z值值插插值值（4-33）假设：假设：D 换成换成h hf f（垂向均匀分布）；（垂向均匀分布）；q q只包括进入混合层部分，只包括进入混合层部分，则仍可用上面公式则仍可用上面公式 22211exp()d22(,0,)exp(),()/22pFfzyffyfqPPyx yHPhHuh2.15152.158oyyfyH tgH城市大气扩散模式城市大气扩散模式1.线源扩散模式线源扩散模式w无限长线源无限长线源n风向和线源不垂直时风向和线源不垂直时（交
23、角（交角4545o o）22L2(,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22(,0,0,)exp()22sinzzqHxHuw无限长线源无限长线源n风向和线源不垂直时风向和线源不垂直时（交角（交角4545o o）22L2(,0,)exp()exp()d22zyyzqHyx yHyu 2L22(,0,0,)exp()22sinzzqHxHu2122L21(,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有有限限长长线线源源2122L21(,0,0,)exp()exp()d2222PPzzqHPxHPuw有有限限长长线线源源2.面源扩散模式面源扩散模式
24、w大气排放规范里规定条件：烟囱高大气排放规范里规定条件：烟囱高40m；单个排放量单个排放量 O3SOx or NOx+NH3+OH -(NH4)2SO4 or NH4NO3SO2+OH-H2SO4NO2+OH-HNO3VOC+OH-Orgainic PM OH Air Toxics(POM,PAH,Hg(II),etc.)Fine PM(Nitrate,Sulfate,Organic PM)NOx+SOx+OH (Lake Acidification,Eutrophication)MeteorologyProcessorEmissionProcessorAir QualityModelSMOK
25、EorRAMSorPAVEMeteorologyProcessorEmissionProcessorAir QualityModelSMOKEorRAMSorPAVEhttp:/www.epa.gov/asmdnerl/models3/n山区流场由于受到复杂地形的热力和动力因子影响，流场均匀和定山区流场由于受到复杂地形的热力和动力因子影响，流场均匀和定常的假定难以成立常的假定难以成立n对风向稳定、研究尺度不大、地形较为开阔及起伏不大的地区，浓对风向稳定、研究尺度不大、地形较为开阔及起伏不大的地区，浓度基本上遵循正态分布规律，只是扩散参数比平原地区大很多度基本上遵循正态分布规律，只是扩散参数比平
26、原地区大很多w ERT模式模式高斯模式，只对有效源高进行修正高斯模式，只对有效源高进行修正w NOAA和和EPA模式模式NOAA以高斯模式为基础，对有效源高进行修正以高斯模式为基础，对有效源高进行修正EPA与与NOAA相似，只是对所有稳定度级别都进行了地形高度修正相似，只是对所有稳定度级别都进行了地形高度修正烟囱高度的计算烟囱高度的计算要求：要求：n（1）达到稀释扩散的作用达到稀释扩散的作用n（2）造价最低，造价最低，造价正比于造价正比于H H2 2n（3 3）地面浓度不超标）地面浓度不超标 n按地面最大浓度计算按地面最大浓度计算 max22()ezyqCuHyzs02e()zbyqHHu C
27、CbCCC0max在0.51.0之间取0C标准浓度bC本底浓度max22()ezyqCuHyzs02e()zbyqHHu CCbCCC0max在0.51.0之间取0C标准浓度bC本底浓度0C标准浓度bC本底浓度n按地面绝对最大浓度计算按地面绝对最大浓度计算maxCu（4-10）max(321)HHC出现极大值出现极大值maxCu（4-10）max(321)HHC出现极大值出现极大值1BHu（代入sBHHu2maxcsd0dCBuHu（危危险险风风速速危危险险风风速速）1BHu（代入sBHHu2maxcsd0dCBuHu（危危险险风风速速危危险险风风速速）此时sc2BHHHuabsm2ssc()
28、2e2ezzyyqqCH BH u代入下式可得代入下式可得sc02e()zybqHu cc此时sc2BHHHuabsm2ssc()2e2ezzyyqqCH BH u代入下式可得代入下式可得sc02e()zybqHu cc按一定保证率的计算法按一定保证率的计算法n取上述两种情况之间一定保证率下的平均风速和扩散参数取上述两种情况之间一定保证率下的平均风速和扩散参数P值法值法n国标国标GB/T 13201-916s10qHHP上述计算公式按锥形高斯模式导出，在逆温较强的地区，上述计算公式按锥形高斯模式导出，在逆温较强的地区，需要用封闭型或熏烟型模式校核需要用封闭型或熏烟型模式校核烟气抬升高度的选取烟
29、气抬升高度的选取n优先采用国家标准中的推荐公式优先采用国家标准中的推荐公式烟流下洗、下沉现象烟流下洗、下沉现象3.2 某石油精炼厂自平均有效源高某石油精炼厂自平均有效源高60m处排放的处排放的SO2质质量为量为80g/s，有效源高处的平均风速为，有效源高处的平均风速为6m/s，试估算，试估算冬季阴天正下风方向距烟囱冬季阴天正下风方向距烟囱500m处地面上的处地面上的SO2浓度。浓度。解：根据题设条件，由表解：根据题设条件，由表4-3查得稳定度级别为查得稳定度级别为D，由，由表表4-4查得查得 y=35.3m z z=18.1m C（x,0,0,H）=2.7310-5g/m3 =2.7310-2
30、mg/m3222expZzyHuq221.18260exp1.183.35614.3803.3 据估计，某燃烧着的垃圾堆以据估计，某燃烧着的垃圾堆以3g/s的速率排放氮氧化物。的速率排放氮氧化物。在风速为在风速为7m/s的阴天夜里，源的正下风方向的阴天夜里，源的正下风方向3km处的平均浓处的平均浓度是多少？假设这个垃圾堆是一个无有效源高的地面点源。度是多少？假设这个垃圾堆是一个无有效源高的地面点源。解：根据题设条件，解：根据题设条件，由表由表4-3查得，稳定度级别为查得，稳定度级别为D，由表，由表4-4 查得查得y y=173m =173m z z=79.1m=79.1m C C（3000,0,0,03000,0,0,0）=9.97=9.971010-3-3 mg/m mg/m3 3 1.79173714.33zyuQ
