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大气污染控制学 (9)VIP免费

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第四章大气扩散浓度估算模式4.1湍流扩散的基本理论目的要求:了解湍流的概念及分类;重点:湍流的分类;授课方式:讲授一、湍流概念1、概念大气的无规则运动称为大气湍流。风速的脉动(或涨落)和风向的摆动就是湍流作用的结果;2、分类(1)按照湍流形成原因可分为两种湍流:热力湍流:由于垂直方向温度分布不均匀引起的,其强度主要取决于大气稳定度;机械湍流:由于垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起的,其强度主要取决于风速梯度和地面粗糙度;风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最直接最本质的因素,风速越大,湍流越强,污染物扩散速度越快,污染物的浓度就越低;其他一切气象因素都是通过风和湍流的作用来影响扩散稀释的;二、湍流扩散理论大气扩散的基本问题,是研究湍流与烟流传播和物质浓度衰减的关系问题。目前处理这类问题有三种广泛应用的理论:梯度输送理论、湍流统计理论和相似理论;1、梯度输送理论梯度输送理论是通过菲克扩散理论的类比建立起来的。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;【扩散的概念:当物质内有梯度(化学位、浓度、应力梯度等)存在时,由于物质的热运动而导致质点的定向迁移过程;扩散是一种传质过程;扩散的本质是质点的热运动;菲克第一定律:在扩散过程中,单位时间通过单位横截面积的质点数目J正比于扩散质点的浓度梯度;】2、湍流统计理论泰勒应用统计学方法研究湍流扩散问题,提出了著名的泰勒公式。图4-1,从污染源排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、定常的,从原点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。萨顿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。高斯应用湍流统计理论得到了正态分布假设下的扩散模式,即通常所说的高斯模式。高斯模式是目前应用较广的模式。4.2高斯扩散模式目的要求:理解无界空间连续点源扩散模式及地面连续点源扩散模式;理解并掌握高斯模式的有关假定,高架连续点源扩散模式及相关计算公式;重点:高架连续点源扩散模式及相关计算公式;难点:镜像法推导高架连续点源高斯模式;授课方式:讲授一、高斯模式的有关假定1、坐标系高斯模式的坐标系如图4-2所示,其原点为排放点(无界点源或地面源)或高架源排放点在地面的投影点,x轴正向为平均风向,y轴在水平面上垂直于x轴,正向在x轴的左侧,z轴垂直于水平面xoy,向上为正向,即为右手坐标系。在这种坐标系中,烟流中心线或与x轴重合,或在xoy面的投影为x轴。2、四点假设大量的实验和理论研究证明,特别是对于连续点源的平均烟流,其浓度分布是符合正态分布的。因此做如下假设:(1)污染物浓度在y、z轴上的分布符合高斯分布(正态分布);(2)在全部空间中风速是均匀的、稳定的;(3)源强是连续均匀的;(4)在扩散过程中污染物质的质量是守恒的;二、无界空间连续点源扩散模式由假设(1)可以写出下风向任一点(x,y,z)的污染物平均浓度的分布函数:(4-1)由概率统计理论可以写出方差的表达式:(4-2)由假设(4)可以写出源强的积分式:(4-3)式中:——污染物在y、z方向分布的标准差,m;——任一点处污染物的浓度,g/m3;——平均风速,m/s;Q——源强,g/s;由上面四个方程组成的方程组,其中可以测量或计算的已知量有源强Q、平均风速、标准差,未知量有浓度、待定函数A(x)、待定系数a、b。因此方程组可以求解。将式(4-1)代入式(4-2)中,积分后得(4-4)将式(4-1)和(4-4)代入式(4-3),积分后得(4-5)再将式(4-4)和(4-5)代入式(4-1)中,便得到无界空间连续点源扩散的高斯模式:(4-6)三、高架连续点源扩散模式高架连续点源的扩散问题,必须考虑地面对扩散的影响。按全反射原理,用“像源法”来处理这一问题。如图4-3所示,可以把P点的污染物浓度看成两部分的贡献之和:一部分是不存在地面时P点所具有的污染物浓度;另一部分是由于地面反射作用所增加的污染物浓度...

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