大气浓度扩散估算模式优秀课件

u 图8.3b表示烟团受到大尺度湍涡的作用。这时 烟团主要被湍涡所挟带，本身增长不大。
u 图8.3c表示烟团受到大小尺度相当的湍涡扯动 变形，这是一种最强的扩散过程。
u 在实际大气中同时存在着各种不同大小的湍涡 ，扩散过程是上述几种过程共同完成的。
4.研究湍流的主要方法
u 目前研究湍流的主要方法有两种：
u 图4-1表示从污染源释放出的粒子，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、 稳定的。从原点释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。
图4-1由湍流引起的扩散
二、湍流扩散理论简介
u 2.湍流统计理论：
u 泰勒(G．I．TaYler)首先应用统计学方法研究湍流扩散 问题，并于1921年提出了著名的泰勒公式。湍流统计 理论假定：流体中的微粒与连续流体一样，呈连续运 动，微粒在进行传输和扩散时，不发生化学和生物学 反应；微粒的大小和质量不计，并将微粒运动看作是 相对于一定空间发生的。
把湍流想象成是由许多湍涡形成的，湍涡的不规则运 动而形成它与分子运动极为相似。 3.湍流起因有两种形式 ： u 热力：温度垂直分布不均（不稳定） u 机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度
4.湍流运动的判据——雷诺数
u 雷诺还找到了由层流运动转换到湍流运动的判据——雷诺数（Re）
u 临界雷诺数
LU
u 利用这些理论进行研究时，常采用数值分析法、现场 研究法和实验室模拟研究法三种方法。理论和方法的 运用不可分割，应该将它们很好地结合在一起，得出 与实际大气污染扩散相符合的计算模式。
大气湍流与污染物的扩散
u 图a表示烟团在比它尺度小的湍涡作用下，一 边随风迁移，一边受到湍涡的搅扰，边缘不断 与周围空气混合，体积缓慢地膨胀，烟团内部 的浓度也不断地降低。
u 将流体的不规则运动视为随机运动的集合，以数理统 计学的方法来研究湍流内部的结构，许多基础理论科 学家就致力于这方面的研究。
5.三种理论的比较
u 这三个理论分别： u 考虑不同的物理机制， u 采用不同参数， u 利用不同的气象资料， u 在不同的假定条件下建立起来的。 u 它们具有不同的有缺点，只能在一定范围内使用
§1湍流扩散的基本理论
u 一、湍流概念简介 u 扩散的要素
u 风：平流输送为主，风大则湍流大 u 湍流：扩散比分子扩散快105～106倍 1、什么是湍流？ 除在水平方向运动外，还会由上、下、左、右方向的
乱运动，风的这种特性和摆动称为大气湍流。（有点 象分子的热运动）
或者说湍流是大气的无规则运动 。 2、湍流与扩散的关系
二、湍流扩散理论简介u 主要阐湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系 u 1.梯度输送理论 u 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。” u 通过泰勒（G.I.Tayler）与菲克（A. Fick）扩散理论的类比建 立起来的。菲克认为分子扩散的规律与傅立叶提出的固体中 的热传导的规律类似，皆可用相同的数学方程式描述。 u 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。 为了求得各种条件下某污染物的时、空分布，必须对分子扩 散方程在进行扩散的大气湍流场的边界条件下求解。然而由 于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能在特 定的条件下求出近似解，再根据实际情况修正。
Re
u 试验（圆管）表明：
u 当Re>2000时的流体流动是 湍流
u 当Re<2000时的流体流动是层流
u 数值Re＝2000叫临界雷诺数
u 大气湍流——临界雷诺数
u 对于大气：
u V=1.5×10-5m2/s
u 若取L=1m
u 只要U>0.1m/s
u 则Re>6000
u 所以通常认为大气运动都是湍流运动
大气浓度扩散估算模式
第4章 大气扩散浓度估算模式
u 1、教学要求 u 要求了解湍流扩散的基本理论，理解和掌握高
斯扩散模式、烟囱高度的设计和厂址的选择。 2、教学重点 u 掌握影响污染物稀释扩散法控制的有关条件； 污染物浓度估算的高斯模式，烟囱高度的设计 方法。 u 3、教学难点 u 污染物稀释扩散法控制，污染物浓度估算的高 斯模式。
u 一种是半经验理论方法，它是通过解运动方程等来研 究边界层大气运动；
u 是模仿气体分子运动与气体宏观运动的理论处理方法 ，结合经验事实，采用适当的参数。
u 虽然这个理论本身还很粗糙，但能够解决一些实际问 题(如物体在流体中运行的阻力)，所以许多应用科学家 和工程技术人员对此比较感兴趣
u 另一种是湍流统计理论方法，即物理上把湍流视为大 大小小不同尺度湍涡的迭加，用数学来描述则是把湍 流看成无穷多个频率各异的波迭加而成，采用数理统 计途径，来分析研究湍流内部结构。
3.相似理论
u 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，特别是俄国科学家 的贡献，使湍流扩散相似理论得到很大发展。
u 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。
u 湍流的概念（运动流场的各种特性量是时间和空间的 随机变量 ）
u 大气运动的湍流性（雷诺数远大于下临界数） u 雷诺数（特征尺度、流动速度、分子动力学粘性系数
） u 湍流的基本特征： （1）随机性，（2）非线性，
（3）扩散性， （4）涡旋性，（5）耗散性
u 热力湍流和机械湍流（不稳定、风切变） u 大气湍流与污染物的扩散（快、各种湍涡） u 研究湍流的主要方法：一种是半经验理论方法，