本文關(guān)鍵詞：大氣風(fēng)場(chǎng)及污染物擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

大氣風(fēng)場(chǎng)及污染物擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型研究 投稿：金攅攆

 

 

2002年12月第21卷第04期包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào) JournalofBaotouUniversityofIronandSteelTechnologyDecember,2002Vol.21,No.4 文章編號(hào):1004-9762(2002)04-037…

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2002年12月第21卷第04期包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)

JournalofBaotouUniversityofIronandSteelTechnologyDecember,2002Vol.21,No.4

　　文章編號(hào):1004-9762(2002)04-0376-04

大氣風(fēng)場(chǎng)及污染物擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型研究

劉長(zhǎng)威,陳義勝,胡銀枝

1

2

2

(1.包頭鋼鐵學(xué)院科研處,內(nèi)蒙古包頭　014010;2.包頭鋼鐵學(xué)院冶金工程研究所,內(nèi)蒙古包頭　014010)

關(guān)鍵詞:大氣風(fēng)場(chǎng);污染物擴(kuò)散;數(shù)學(xué)模型中圖分類號(hào):X132　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

摘　要:在湍流模型的基礎(chǔ)上建立了大氣風(fēng)場(chǎng)數(shù)學(xué)模型和與之耦合的污染物擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型.模擬給出了一個(gè)開放空間內(nèi)風(fēng)遇地面建筑物的繞流過程,以及由建筑物中排放出的污染物在空氣中的擴(kuò)散過程.

Themathematicalmodelstudyofpollutingfountain

diffusionconcentrationinairpollution

LIUChang-wei,CHENYi-sheng,HUYin-zhi

014010,China)

Keywords:flowfield;pollutingfountaindiffusion;mathematicalmodel

Abstract:Basedontheturbulentmathematicalmodel,themodelsofairflowfieldandpollutingdiffusionwerebuilt.Processesintheopenspaceweresimulatedwhichincludedboththewindflowdetourwhilepassingthroughbuildingsonthegroundandthediffusionofpollutantssentoutfromthebuildingsintotheair.

1

2

2

(1.DepartmentofScientificResearch,UISTBaotou,Baotou014010,China;2.InstituteofMetallurgicalEngineering,UISTBaotou,Baotou

　　分析和預(yù)報(bào)污染物在大氣中的擴(kuò)散過程必須要考慮大氣自身的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),只有掌握了大氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律才能很好地研究污染物擴(kuò)散以及污染源對(duì)周邊環(huán)境的影響.目前,國(guó)內(nèi)外多數(shù)學(xué)者普遍采用傳統(tǒng)的高斯模式來研究污染物在大氣中的擴(kuò)散問題,而高斯模式是基于對(duì)大氣流動(dòng)、下墊面條件和污染物擴(kuò)散等幾點(diǎn)假設(shè)的前提下建立的,因而,在應(yīng)用過程中存在一定的局限性

[1～3]

迎風(fēng)面積;(3)大氣層結(jié)造成的空氣上下對(duì)流作用對(duì)近地面風(fēng)場(chǎng)影響相對(duì)于主風(fēng)向風(fēng)力影響可以忽略;

(4)在選取相對(duì)建筑物足夠大的范圍研究近地風(fēng)場(chǎng)時(shí),可以近似認(rèn)為風(fēng)沿主風(fēng)向平行流動(dòng).

1.1　風(fēng)場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

1.1.1　基本假設(shè)

基于以上對(duì)近地風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn)的分析,在模型建立中提出如下幾點(diǎn)假設(shè):

(1)在研究區(qū)域內(nèi),上部自由界面沒有物質(zhì)交換;(2)在選取的足夠大的研究區(qū)域內(nèi),沿主風(fēng)向的2個(gè)側(cè)面近似為對(duì)稱面.1.1.2　數(shù)學(xué)模型

連續(xù)性方程:

(ρuj)=0; xj

動(dòng)量方程:

(1)

.隨著計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展,應(yīng)用數(shù)

學(xué)模型,通過計(jì)算機(jī)模擬來分析大氣污染的過程已成

為研究大氣污染的最有效手段之一[1,4].

1　大氣湍流流動(dòng)過程的數(shù)學(xué)描述

對(duì)于近地面局部區(qū)域的大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)該具備這樣的特點(diǎn):(1)地面是風(fēng)場(chǎng)的固體邊界,具有湍流流動(dòng)固體邊界的作用

[5]

;(2)地面上的建筑物對(duì)風(fēng)場(chǎng)

有擾動(dòng)作用,擾動(dòng)作用的大小取決于建筑物高度和

收稿日期:2002-10-03

(-),男,,.

劉長(zhǎng)威等:大氣風(fēng)場(chǎng)及污染物擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型研究

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2

=Dx+Rx.ui xi x2i

ui uj(ρuiuj)=+[μ)]+ρgi;eff xj xi xj xj xi

(2)

描述湍流運(yùn)動(dòng)的k-ε雙方程模型:k方程:μeff(ρujk)=)+G-ρε; xj xjσxjk ε方程:

μeff(2

ρujε)=+(C1Gε-C2ρε)/k,(4) xj xjσxjε 其中,G=μt

ui ui uj

+. xj xj xi

寫成統(tǒng)一的控制方程為:μeff(ρuj )=)+S . xj xjσxj

(6)

1.2.3　邊界條件

(1)地面邊界按反射邊界處理,即=0;

xi

(2)研究區(qū)域2個(gè)側(cè)面用對(duì)稱邊界,即=0;

xi

(3)主流出入口邊界,入口按C=0,出口按出口邊界計(jì)算;

(4)頂部按自由界面處理.

(3)

2　模擬研究方法

選取長(zhǎng)8km,寬4km,高800m的1個(gè)包圍孤立

(5)

污染源的區(qū)域進(jìn)行模擬研究.建筑物高60m,寬400m,長(zhǎng)500m,處于研究區(qū)域的上風(fēng)向.平均風(fēng)速2.5m/s.建立1個(gè)直角坐標(biāo)系,把研究區(qū)域劃分成微元體,進(jìn)行數(shù)值模擬.對(duì)以上微分方程進(jìn)行差分處理,轉(zhuǎn)化成微元體上的代數(shù)方程,然后編制成計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行迭代求解,得到數(shù)值解.

1.1.3　邊界條件

(1)地面邊界用固體邊界來處理,具體為u=v=w=0;

(2)研究區(qū)域2個(gè)側(cè)面用對(duì)稱邊界,即

=0, x

=0; z

(3)主風(fēng)向上的2個(gè)邊界,按入口和出口邊界處理;

(4)頂部按自由界面處理.

3　模擬結(jié)果與討論

3.1　大氣風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果

分析如圖1,2所示的模擬結(jié)果可以得出,建筑

物前方氣流均勻穩(wěn)定地進(jìn)入模擬區(qū)域,遇到建筑物后,氣流無論是速度還是方向都發(fā)生了很大變化.在建筑物下風(fēng)向后氣流紊亂,速度減小,形成1個(gè)擴(kuò)散型擾動(dòng)尾翼,尾翼呈擴(kuò)展趨勢(shì),向水平的2個(gè)側(cè)面和高空擴(kuò)展,但影響強(qiáng)度在不斷地減弱.離開建筑物越遠(yuǎn),氣流擾動(dòng)逐漸消除,氣流有逐漸恢復(fù)到進(jìn)入模擬區(qū)以前的流動(dòng)狀態(tài)的趨勢(shì)

.

1.2　污染物擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型

1.2.1　基本假設(shè)

(1)從建筑物排放出的污染物可以近似為點(diǎn)源;(2)污染源排放出的污染物隨時(shí)間沒有變化;

(3)污染源是孤立源.1.2.2　數(shù)學(xué)模型

污染物擴(kuò)散控制方程:

圖1　建筑物上方大氣流場(chǎng)圖

378

包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)2002年12月　第21卷第4期

圖2　近地面風(fēng)場(chǎng)Fig.2　Flowfieldnearground

3.2　污染物在運(yùn)動(dòng)大氣中擴(kuò)散模擬結(jié)果

分析如圖3～5所示的模擬結(jié)果可以得出,在本

模擬條件下,由于有較強(qiáng)的單向風(fēng)作用,污染物的污染區(qū)域僅僅在建筑物(污染源)的下風(fēng)向形成.靠近污染源的地方,污染物集中,擴(kuò)散程度很小;越遠(yuǎn)離污染源,污染物擴(kuò)散程度和范圍越大,且污染區(qū)域沿著風(fēng)的方向遠(yuǎn)離污染源.

在本模擬研究過程中,假設(shè)將1個(gè)污染源群近似看作點(diǎn)源,且排放流量為40000m/s.污染物在大氣中的濃度為1.29×106C,C為圖3～5中的百

3

分比濃度值,以圖中7×10值為例,則該值表示污

染物在大氣中的濃度為1.29×106×7×10-6=9.03mg/m3.如果以污染物CO為例,按照二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(商業(yè)交通居民混合區(qū)、文化區(qū)等)的污染物排放限值規(guī)定,CO時(shí)均濃度值應(yīng)≤10mg/m3[6,7],從圖3,4中可以得出,在污染源的水平面方向上,橫風(fēng)向離開污染源約1000m以上,CO在大氣中的濃度即小于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的濃度限值;橫風(fēng)向離開污染源約小于1000m,CO在大氣中的濃度即超過了二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的濃度限值

.

-6

圖3　建筑物上部水平面污染物擴(kuò)散圖

Fig.3　Pollutingfountaindiffusioninhorizontalplaneupperbuilding

劉長(zhǎng)威等:大氣風(fēng)場(chǎng)及污染物擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型研究

379

圖4　水平地面平面污染物擴(kuò)散圖

Fig.4　Pollutingfountaindiffusiononplaneinhorizontal

ground

圖5　沿風(fēng)向垂直面污染物擴(kuò)散圖

Fig.5　Pollutingfountaindiffusiononverticalplanealongwinddirection

學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.空氣污染數(shù)值預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)[M].北京:氣象出版社,1999.

[2]　郝吉明,馬廣大,等.大氣污染控制工程[M].北京:高

等教育出版社,1989.

[3]　李宗愷,潘云仙,孫潤(rùn)橋.空氣污染氣象學(xué)原理及應(yīng)用

[M].北京:氣象出版社,1985.

[4]　宋文彪.空氣污染控制工程[M].北京:冶金工業(yè)出版

社,1985.

[5]　張　胤,賀友多,李士琦,等.二維非穩(wěn)定態(tài)流場(chǎng)計(jì)算

[J].包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào),1999,18(2):98-102.

[6]　HJ/T2.2—93,中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):環(huán)

境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則———大氣環(huán)境[S].

[7]　GB3095—1996,中華人民共和國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

[S].

4　結(jié)論

(1)運(yùn)動(dòng)的大氣流遇到建筑物時(shí),在建筑物的阻擋下會(huì)在下風(fēng)向產(chǎn)生擾動(dòng).擾動(dòng)范圍隨離開建筑物的距離增加而增加,但擾動(dòng)強(qiáng)度減弱.

(2)從建筑物中排出的有害氣體在建筑物下風(fēng)向會(huì)產(chǎn)生局部污染,污染范圍與排出污染物濃度、風(fēng)向、風(fēng)速有關(guān).

(3)應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型模擬大氣流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散的過程,模擬結(jié)果和理論分析的一致性較好,該方法是研究大氣污染的一種有效手段.參考文獻(xiàn):

[1]　中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化

 

2002年12月第21卷第04期包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào) JournalofBaotouUniversityofIronandSteelTechnologyDecember,2002Vol.21,No.4 文章編號(hào):1004-9762(2002)04-037…

2002年12月第21卷第04期包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào) JournalofBaotouUniversityofIronandSteelTechnologyDecember,2002Vol.21,No.4 文章編號(hào):1004-9762(2002)04-037…

2002年12月第21卷第04期包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào) JournalofBaotouUniversityofIronandSteelTechnologyDecember,2002Vol.21,No.4 文章編號(hào):1004-9762(2002)04-037…

 

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