空气污染学第六章烟流抬升高度.

1第六章烟流抬升高度2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uyz烟气抬升高度的计算有效源高∆h――抬升高度hs――烟囱几何高度222222()()(,,)exp(){exp[]exp[]}2222yzzyzQyzHzHqxyzu；HsHhh2mzxxH(3.9a)(3.10a)yzmHueQq222mzxxH(3.9a)(3.10a)yzmHueQq223一、烟流抬升高度∆h(掌握)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4垂直烟流（无风）弯曲烟流（有风）⑴喷出阶段⑵浮升阶段⑶瓦解阶段⑷变平阶段5抬升过程分为如下几个阶段(掌握)6(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。7(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。8(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。9(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。分阶段突出支配因子，可简化下一步的理论处理。阶段的划分以观测资料为依据，但一定程度上是人为作出的。实际过程复杂多变，不很典型。10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11(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。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，连成烟流抬升轨迹或烟流轨迹，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。2烟流抬升轨迹与终极抬升12烟气排出准垂直形式弯曲并扩大瓦解变平终极抬升高度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(在烟流的截面上积分)，以方便的形式来描述烟流轨迹。13（1）Holland公式（1953）：适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加10％～20％）14计算结果明显低估2-3倍二烟气抬升高度的计算5001(1.52.7)(1.54.110)saHswdTThdwdQTuud为排放源出口内径，为烟源热释放率不稳定：增加10%-20%稳定：减少10%-20%HQh15Holland(1953年)公式，后经美国机械工程师协会（ASME）修订系数A,B类为1.15C类为1E,F类为0.8516Moses&Carson公式uQcudwchH2/1201浮力抬升项动力抬升项与大气稳定度有关的系数TVA公式uFch3/111417Lucas公式uQhH4/124考虑环境湍流和烟源高：CONCAWE公式22ln)(37.643.0177.4232/100JJTuTTQguwQwuhaasaauQhhHs4/1)09.05.12(4/32/1175.0uQhHBosanquetI公式1)(28.043.002/12/102asaaaTTgTwgGTwQuJ18Briggs自60年代后期至80年代初期的十几年内，建立了一套烟流抬升的理论体系，并且在主要利用大量火电厂浮升烟流观测试验资料的基础上，发展完善其理论体系，引入了环境湍流影响机制并建立了相应的处理模式。在所有这些工作的基础上，给出各种情况下可供实用的抬升公式，成为迄今为止仍是应用最广泛的烟流拾升高度计算系统。实践表明，它的这一体系主要适合于大热源排放的浮升烟流。（2）Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件19H11/32/3sH11/32/3sH21000kW10=0.36210=1.55当时sQxHHQxuxHHQHuH11/31/3H3/52/5Hs6/53/53/5Hs21000kW3*=0.3623*=0.332*=0.33当时QxxHQxuxxHQHxQHuQH:热释放率，单位时间，单位质量烟气升高△T度所释放的热量，单位cal/s。烟流抬升高度与烟囱高度有关，烟囱高情况下计算保守，相反情况计算不安全（3）国家标准(GB/T13201-91)中的公式2012Hsa1nn0HsHaVasHH121sH12100kW()35K=0.351700kW2100kW1700=()4002(1.50.01)0.04=sQTTHnQHuTQPQTTTTQQHHHHvDQHu(1)当和时(2)当时HHsH1/43/8aH8(1700)1700kW35K2(1.50.01)=10m1.5m/sd=5.5(0.0098)dQuQTvDQHuTHQz(3)当或时(4)当高处的年平均风速小于或等于时因为对烟流抬升和地面浓度的计算，平均风速都具有重要作用，所以在高斯扩散公式和烟流抬升高度计算公式中都有平均风速。一般认为这个量值应该是整个烟流厚度范围里各层风速的平均值。实际工作中常采用源高处的平均风速，或者也有采用有效源高处的平均风速。21222.最高地面浓度与临界风速由本章4.1的讨论已知，高架源排放造成的地面浓度在离源一定距离处出现最大值，可由高斯扩散公式体系(3.9)和(3.10)式确定这个最高浓度。由上两式清楚可见，有效源高或者烟流抬升高度的作用。另一方面，由于平均风速对烟流抬升的直接影响，亦会影响到地面浓度的分布。mxmq2mzxxH(3.9a)(3.10a)yzmHueQq2223平均风速具有双重影响风速加大会增强对空气污染物的稀释速率，降低地面浓度；风速的加大又会降低烟流拾升高度，从而相当于降低有效源高，增加地面浓度，这正是效果相反的双重作用。地面最高浓度（MGC）对应的临界风速这里的临界或危险的意义都是指可能出现极大的地面污染物浓度而言的cu24大多数烟流公式中有的关系，可以定义：Bhu1hu(3.142)B为与风速无关的常数。代入（3.10）可得(3.143)22221()()()zmysssQAuqABBehuBhuuhuu25为求临界风速，对上式求导得(3.144)23()[][]0()()msssdqBhudAuAduduhuBhuB式中0,()0()0ssAhuBBhu可得csBuuh26代入（3.143）可得最大浓度(3.145)[]mabsq[]42zmabsssyQAqBhehB由上述讨论可知，当存在有烟流抬升时，地面最大浓度不再是随风速的增大而单调减低的，而是先随风速的增大而增高，至风速达到临界风速时，达极大值，称为绝对最大浓度然后，浓度再渐渐降低。mq[]mabsq27因为对烟流抬升和地面浓度的计算，平均风速都具有重要作用，所以在高斯扩散公式和烟流抬升高度计算公式中都有平均风速。一般认为这个量值应该是整个烟流厚度范围里各层风速的平均值。实际工作中常采用源高处的平均风速，或者也有采用有效源高处的平均风速。28常用地面风速资料推算要求高度处的风速(3.146)10()10mzzuu293.高架稳定层及穿透处理30任意给定高架逆温层，高度在烟囱顶以上Zi处，逆温层位温跳变为。由逆温强度造成的浮力加速度为。如果烟流穿透逆温层，其浮力通量减小于是，可以认为，如果烟流浮力通量则将会发生烟流穿透逆温层的过程。i()iag()iiagV()iiaFgV31Briggs(1982)提出满足以下条件时，可预期发生逆温层穿透：2/53/50101/21/204.9()6.2()2.5iiaiiaiiazFgFzgMFzug(3.147a)垂直浮力(3.147b)垂直动力(3.147c)弯曲浮力32Briggs以火电厂观测资料检验，结果相当一致。Briggs认为，如果烟流的终极抬升落在烟囱上方逆温层高度的2倍范围内的话，只有一部分(成数p)烟流可能穿透逆温层。于是他提出确定穿透部分(成数)的公式为(3.148)hiz1.5izph可见，烟流被逆温层底反射向下散布的部分为(1-p)33当烟流在混合层上，全穿透当烟流全在混合层内，封闭当部分穿透。12iphz时，01.5izph时，01p34另一方案（Weil,Brower,1984）对弯曲浮力烟流的穿透处理，修正源强和抬升高度11.5izph(3.149)''1,0,iiispQhzzzh当230,,min[,]spQQhhh当为对流混合状态下的烟流抬升高度是p=0时的值2h30.62ihz')38.062.0();1(,