气体扩散浓度计算模型介绍
大气浓度扩散估算模式75页PPT
§2高斯扩散模式
一、高斯模式的有关假定 1.坐标系 坐标系取排放点（无界源、地面源或高架源排放点）在地面 的投影点为原点，主风向为x轴，y轴在水平面内垂直于x轴， 正方向在x轴的左侧，z轴垂直于水平面，向上为正，即右手坐 标系。食指—x轴；中指—y轴；拇指—z轴。此坐标系中，烟 流中心与x轴重合或烟流在oxy平面的投影为x轴。 2.四点假设 a．污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布 b．全部高度风速均匀稳定 c．源强是连续均匀稳定的 d．扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）
8
3.相似理论
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。 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。 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。
5.三种理论的比较
这三个理论分别： 考虑不同的物理机制， 采用不同参数， 利用不同的气象资料， 在不同的假定条件下建立起来的。 它们具有不同的有缺点，只能在一定范围内使用
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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 ） 大气运动的湍流性（雷诺数远大于下临界数） 雷诺数（特征尺度、流动速度、分子动力学粘性系数 ） 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 热力湍流和机械湍流（不稳定、风切变） 大气湍流与污染物的扩散（快、各种湍涡） 研究湍流的主要方法：一种是半经验理论方法， 另一是湍流统计理论方法 湍流扩散的梯度输送理论（欧拉方法） 湍流扩散的统计理论（拉格朗日方法） 湍流扩散的相似理论
第04章大气污染扩散模型环境保护概论ppt课件
第六节 区域大气环境质量模型
多源大气环境质量模型 区域内大气中某一点的污染物浓度等于背景浓度和各
污染源对该点浓度的贡献值之和：
《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》中排放总量 限值的计算方法
第七节 厂址的选择和烟囱的设计
如果用y0表示烟流半宽度，z0表 示烟流半高度，则有：
封闭型扩散模式
计算简化：
熏烟型扩散模式
假设： D 换成hf（垂向均匀分布）；q只包括进入混合层部分，
则仍可用上面公式
熏烟型扩散模式
第五节 城市及山区扩散模式
城市大气扩散模式
1.线源扩散模式
风向与线源垂直时
边缘效应
城市大气扩散模式
2.面源扩散模式
城市大气扩散模式
2. 面源扩散模式（续）
简化为点源的面源扩散模式（续） 形心上风向距x0处有一虚拟点源，其烟流在形心处宽度正好
与正方形宽度相等
烟流宽度：中心线到浓度为中心处距离的两倍
（正态分布：
）
确定 、 之后即可按点源计算面源浓度
城市大气扩散模式
2. 面源扩散模式（续）
窄烟流模式
某点的污染物浓度主要取决于上风向面单元的源强，上风向 两侧单元对其影响很小
定状态，σ较大，即σ与稳定度密切相关。
扩散参数的确定
P－G曲线法
P－G曲线:Pasquill常规气象资料估算；Gifford制成图表
方法要点
将大气稳定度分为6个等级： A — 极不稳定，B —不稳定，C — 弱不稳定， D — 中性，E — 弱稳定，F —稳定。
太阳辐射
稳定级别 下风距离
P-G曲线图 P-G 表
Eutrophication)
Acid Rain
大气污染扩散及浓度估算模式概述(PPT 49张)
第三节 扩散参数的估计
上述高斯扩散中，欲计算出大气污染物浓度及其分
布，则必须知道源强Q、平均风速U，有效源高H和 大气扩散参数σy和σz。其中Q和U往往是通过测量或 由工程设计给出，于是问题归结于如何给出有效源 高和大气扩散参数。下面我们首先讨论扩散参数的 估算方法。 扩散参数（σy、σz）是下风向距离x，大气稳定度、 地面粗糙度等的函数。目前广泛使用的确定扩散参 数的方法是根据大量扩散试验总结出来的经验方法 和经验公式。
的基本模式。需要说明的是模式中的H是指 有效源高，有关有效源高的问题将在下面进 行专门讨论。式中平均风速是指烟云扩散范 围内的平均风速，通常可简单地取排放面高 度处的风速。
三、几个常用的大气扩散模式
1．高架连续点源： （a）地面浓度C（x、y、、o、o、H）：
练习题
1、求以下污染气体的浓度单位换算关系（mg/m3ppm)在
标准状态下：CO、O3、NO2、NO。 2 大气中CO2的通量浓度为340ppm,问1Nm3空气中含CO2多 少克？ 2、成人每次吸入的空气质量平均为500cm3,j假若每分钟呼 吸15次，空气中颗粒物的浓度为200µg/m3，试计算每小时 沉积于肺胞中的颗粒屋质量。已知该颗粒物在肺胞中的 沉降 系数为0.12。 4、据估计某平原城市远郊区燃烧的垃圾以每秒3克的速度向 四周排放氢氧化物为主的的污染物。当时气象状况为：风速 7m/s，夜间、阴天。请问此垃圾堆正下风向3km处的污染物 浓度是多少？此距离上偏离X轴线200m处浓度是多少？
一个烟团在大小不同的湍涡中的扩散情况。
（c）表示尺度与烟团大 小相仿的湍流作用。这时， 烟团被湍涡拉开撕裂而变形。 这是一种比较快的扩散过程。
从应用角度研究大气污染扩散，就是找出不同气象条件下， 污染物在大气中的搬运规律，以求最大限度地减低空气污染 的程度。利用这些规律可以解决下述一些问题：
毒气扩散模型
液氨储罐泄漏事故后果模拟一只液氨储罐发生物理爆炸，其有毒气体扩散半径计算情况如下：液氨储罐内液氨的质量W=49.41kg氨气的分子量M=17.03。
液氨的比热C=4.6(kJ/kg ·℃)液氨的沸点t 0=-33.5℃，液氨的汽化热q=1166.68(kJ/kg)介质温度常温取t= 25℃，吸入5～10min 致死的浓度为C 1=0.5%，吸入0.5～1h 致中毒的浓度C 2=0.073%。
全部液氨所放出的热量为：Q = W ·C(t -t 0)=49.41×4.6×[25-(-33.5)]=13296.23kJ其蒸发量为：W ´= Q/q =13296.23/1166.68=11.4kg在沸点下蒸发蒸气的体积：Vg= 22.4 W ´(273+t 0)/273M=22.4×11.4×1000×(273+(-33.5)/(273×17.03)=16834.73m 3储罐破裂后，氨气扩散半径为：A ．5～10min 氨气致死的浓度扩散半径为：π3421Vg/C R 13⨯=0944.2Vg/C 13＝=117.15m若液氨储罐内液氨全部泄漏，静风状态下氨气扩散半径117.15m 范围内的人员吸入5～10min 会中毒致死。
B ．吸入0.5～1h 氨气致中毒的的浓度扩散半径为：π3421Vg/C R 23⨯=0944.2Vg/C 23＝=222.47m 氨气扩散半径117.15m ～222.47m 范围内的人员吸入0.5～1h 会中毒致重病。
通过液氨泄漏中毒事故后果模拟评价得知：一个液氨储罐若发生物理爆炸，液氨迅速挥发成氨气，在无风的情况下氨气扩散半径117.15m 范围内的人员吸入5～10min ，可导致人员死亡；在扩散半径117.15m ～222.47m 范围内的人员吸入0.5～1h ，可导致人员中毒致重病。
天然气高压泄漏
一、泄漏物质在大气中扩散的计算模型1.泄漏物质在大气中扩散的计算模型 如果化学危险物质只是具有易燃易爆性，则发生泄漏后虽然可能产生极为严重的火灾、爆炸事故，但是影响的范围不大，仅局限于厂区内部或临近的区域。
但是，若该物质具有毒性，泄漏后能在大气中扩散，则将造成大范围内的人员中毒事故。
对于毒物在大气中扩散的计算，可以根据下列情形进行。
（1）泄漏危险源瞬时排放的情形 泄漏危险源为瞬时排放时，如果排放质量为Q(kg),则空间某一点在t 时刻的浓度由下式得出：()⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++--=•••••••••••••z y x z y x z y ut x •Qt z y x C 2222222/321exp )2(2),,,(σσσσσσπ (公式3-19) 式中x —下风方向至泄漏源点的距离，m;y,z —侧风方向、垂直向上方向的离泄漏源点的距离，m;u —风速，m/s;σx ,σy ,σz, —分别为x,y ,z 方向的扩散参数； t —扩散时间，s(2)泄漏危险源连续排放的情形若泄漏源为连续排放，泄漏速率为Q(kg/s)时，则空间莫一点在t 时刻的浓度由下式得出：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=••••••••z y z y z y u Q t z y x C 222221exp ),,,(σσσπσ (公式3-20) 式中符号意义同上。
对于扩散参数σy , σz,，这里引用TNO 有关的公式：•ax Q ••by••dz cx Q （公式3-21）根据上述两个大气扩散公式，即可算出有毒气体泄漏后造成的毒害区域。
扩散系数a 、b 、c 、d 与大气稳定条件见表3-1表3-1 扩散参数与大气稳定条件 大气条件 a b c d 极不稳定A 0.527 0.865 0.28 0.9 不稳定B 0.371 0.866 0.23 0.85 弱不稳定C 0.209 0.897 0.22 0.8 中性D 0.128 0.905 0.2 0.76 弱稳定E 0.098 0.902 0.15 0.73 稳定F0.0650.9020.120.67例：某压缩天然气（CNG ，含CH 496.23%）高压输送管的内部绝对压力为2.6Mpa,外界大气的压力位0.1Mpa,管道内径600mm.若管道发生开裂导致天然气泄漏，泄漏的裂口为狭窄的长方形裂口，裂口尺寸为管径的60%，宽为2mm.已知甲烷的爆炸下限浓度为5%。
《大气扩散浓度估算》课件
高斯模型适用于简单地形和平稳气象条件下的扩散模拟 。
拉格朗日模型适用于模拟复杂流动场和污染物迁移转化 过程。
03 大气扩散浓度估算方法
估算方法分类
直接测量法
通过在目标区域设置监测站点，直接测量大气中 的污染物浓度。
模型模拟法
利用数学模型和计算机模拟技术，预测大气中污 染物的扩散和浓度分布。
经验估算法
《大气扩散浓度估算》ppt课件
• 大气扩散基本概念 • 大气扩散模型 • 大气扩散浓度估算方法 • 大气扩散浓度估算案例分析
• 大气扩散浓度估算的挑战与展望 • 大气扩散浓度估算的实际应用
01 大气扩散基本概念
大气扩散的定义
总结词
大气扩散是指污染物在大气中由高浓度向低浓度自然传播、分散的过程。
大气扩散浓度估算的展望
01 02 03
大数据和人工智能技术的应用
随着大数据和人工智能技术的发展，未来可以利用这些技 术对大量的监测数据进行处理和分析，提高数据的质量和 利用效率。同时，可以利用人工智能技术对大气扩散模型 进行优化和改进，提高模型的预测精度和适用性。
多源数据的融合和应用
未来可以利用更多的数据源，如卫星遥感数据、无人机监 测数据等，对大气扩散过程进行全方位的监测和评估。通 过多源数据的融合和应用，可以更全面地了解大气扩散的 规律和影响因素，为估算结果的准确性提供保障。
大气扩散的影响因素
总结词
大气扩散的影响因素主要包括气象条件、地形地貌和排放源特征等。
详细描述
气象条件如风向、风速、温度层结等对大气扩散有重要影响，风速决定了污染物的扩散速度，温度层结影响污染 物的垂直扩散；地形地貌如山丘、河流等也会影响污染物的扩散；排放源特征如排放高度、排放强度等也会对大 气扩散产生影响。
最大落地浓度计算公式
最大落地浓度计算公式最大落地浓度（Max Ground Concentration，简称MGC）是指污染物扩散到地面上的最大浓度。
在环境影响评价和工程设计中，对于有毒气体的扩散和浓度分布进行准确的预测和计算是至关重要的。
下面是一种常用的计算MGC的公式。
在计算最大落地浓度时，我们通常采用Gaussian模型进行估算。
Gaussian模型假设污染物的扩散呈现近似高斯分布，即形成一个环绕源点的圆形云团。
按照这个模型，最大落地浓度主要由以下几个因素决定：1. 污染源的排放速率（Emission Rate）：指单位时间内排放到大气中的污染物质量或体积。
一般以单位时间内排放的污染物质量（质量排放速率，如kg/s）或体积（体积排放速率，如m³/s）来表示。
2. 大气稳定度（Atmospheric Stability）：稳定度描述了大气层中温度和湿度的纵向变化程度，分为A类（非常稳定）、B类（稳定）、C类（中性）、D类（不稳定）和F类（特不稳定）等级。
大气稳定度越高，空气越容易滞留，浓度越高。
3. 风速和风向（Wind Speed and Direction）：风速和风向对于污染物传输和扩散有重要影响。
风速越小、风向变化越小，污染物在源点附近停留的时间越长，浓度也越高。
4. 地面类别（Ground Roughness Category）：地面的粗糙度也会影响污染物的扩散和运动。
不同的地面类别（如开阔地域、城市建筑区或湖泊地区）具有不同的摩擦阻力，从而影响污染物的寻常扩散。
综上所述，MGC的计算公式可以表示为：\[ MGC = \frac{E}{2\pi \cdot U \cdot \sigma_y \cdot \sigma_z} \]其中MGC表示最大落地浓度（μg/m³）；E表示排放速率（μg/s）；U表示风速（m/s）；σy和σz分别表示环流模型中沿着风向和垂直于风向的标准差。
它们代表了环流模型中扩散云的纵向和横向尺度。
气体扩散系数的测定和计算
实验 气体扩散系数的测定和计算一、实验目的：1. 了解菲克第一定律；2. 求出液体表面蒸发气的气体扩散系数；3. 通过实验掌握用蒸发管法测定气体扩散系数。
二、实验原理：挥发性液体之气体扩散系数可藉由Winklemann’s method 来检测，在有限内径的垂直毛细管中保持固定的温度和经过毛细管顶部的空气流量，可确定液体表面的分子扩散到气体中的蒸气分压。
图 蒸发管法测定气体扩散系数已知质传速率：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=Bm T AA C C L CD 'N （1）式中：D = 扩散速率 (m 2/s)C A = A 物质于界面间的饱和浓度 (kmol/m 3) L =质传有效距离(mm)C Bm =蒸气的对数平均莫耳浓度 (kmol/m 3)2A p 气体BA Nz0z液体()时在01θz()时在θ1z1A p2zC T = 总莫耳浓度＝C A +C Bm (kmol/m 3) 液体的蒸发速率：⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=dt dL M ρN L A ' （2）式中：ρL = 液体密度⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛Bm T A L C C L C D dt dL M ρ （3） at t=0 , L=L 0 做积分t C C C ρMD 2L L Bm TA L 202⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=- （4）()()t C C C ρMD 2L 2L L L L Bm TA L 000⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+--(5)()()0A T Bm L 0A T Bm L 0L C MDC C ρL L C C C MD 2ρL L t ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=- (6)其中：M = 分子量、t = 时间⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=aabs T T T Vol kmol C 1 ， 其中 Vol ＝22.4 m 3 (7)T 1B C C =(8) T a v a 2B C P P P C ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=(9))C C ln()C (C C B2B1B2B1Bm -=(10) T a v A C P P C ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=(11)三、实验装置：本实验装置如下图所示，包括： 玻璃温度计；T型管：横管为两端开口的普通玻璃管，用于气体流通；竖管为下端封口的毛细管，用于盛放丙酮溶液(丙酮为被测气体)，由于使用了毛细管，可以将被测气体的扩散视为一维的竖直扩散；温度传感器、恒温槽（透明压克力箱）、泄水阀；游标尺：实验中使用精度为0.1mm的游标卡尺，可以通过显微镜对毛细管内的液位进行测量；游标尺高度计支撑架、显微镜（由于游标卡尺刻度较密，且置于水浴箱中，要借助显微镜进行读数）；温度显示面板、heater 开关、电源线、air pump 开关、air pump (黑色压克力箱)、浮动开关、伸缩管。
气体扩散浓度计算模型介绍ppt课件
模型验证情况
ⅡT Heavy Gas Models瞬时泄漏扩散模 型对Thorney Island Tests系列试验下风 向不同距离的泄漏物质最大浓度进行了模 拟验证，ⅡT Heavy Gas Models连续泄 漏扩散模型对Maplin Sands Tests系列试 验下风向不同距离的泄漏物质最大浓度进 行了模拟验证，两个试验的模拟结果都是 较好的，基本上反映了重气的扩散情形。
的密度差，导致重气塌陷，沿地表面拓展，引起云团厚度的降低和径向尺寸的增大，而在大气湍流的
作用下外界空气进入云团，即空气卷吸，云团被稀释，同时由于初始泄漏云团与周围环境的温度差异
而进行热量交换；
★非重气扩散转变：随着云团的稀释冲淡，重气效应逐渐消失，重气扩散转变为非重气扩散；
★大气湍流扩散阶段(被动扩散)：即大气湍流对云团的扩散起支配作用。
4
常见的泄露形式: 管道破损后的连续喷射——烟羽
5
常见的泄露源: 爆炸形成瞬时泄露——烟团
6
扩散过程研究
不同性质气体在不同条件下表现出不同 的特征
观察者对过程特征的选取
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重气扩散过程
四个阶段
★初始阶段：物质从容器泄漏出，形成气云后在本身的惯性力和外界风速的作用下，上升变形；
★重力沉降阶段和空气卷吸阶段：当气云初始动量消失后，重力占主导地位。由于云团与周围空气间
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气体泄漏扩散研究方法
试验法
风洞实验法
试验法
模型法
试验数据
问题特点
比例
验证
模型
特征提取与模化
风洞实验
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气体扩散浓度计算模型分类
重气泄漏扩散的数值模拟方法依据各自的 建模原理以及复杂程度可分为五类 :
大气扩散浓度估算
数据处理软件介绍
数据处理软件是用于处理和分析大气扩散浓度数据的软件。
数据处理软件可以对收集的大气扩散浓度数据进行处理、分析和可视化。这些软件通常具有强大的数据处理和分析功能，可 以帮助研究人员更好地理解大气扩散规律和污染物扩散机制。通过数据处理和分析，可以进一步优化大气扩散浓度估算的准 确性和可靠性。
THANKS
感谢观看
估算方法
采用工业园区的大气扩散模型，结合园区内的污染源分布、排放强 度和气象条件等数据，对工业园区的大气扩散浓度进行估算。
案例分析
以某钢铁工业园区为例，通过建立大气扩散模型，对园区内不同厂区 的污染物排放进行了监测和估算，并对周边居民的影响进行了评估。
山区案例
山区特点
山区地形复杂，气流运动多变，污染物在山区的扩散受到地形的影 响较大。
数据获取的挑战
1 2
监测站点分布
监测站点分布不均可能导致数据获取不全或数据 代表性不足。
数据质量
数据质量参差不齐，可能影响估算结果的准确性。
3
数据处理方法
数据处理方法的差异可能导致估算结果的不一致 性。
技术发展的展望
数值模型
数值模型在大气扩散浓度估算中 具有重要地位，未来可进一步发 展精细化、高分辨率的数值模型。
03
大气扩散浓度估算应用
城市规划
城市通风廊道规划
基于大气扩散浓度估算， 合理规划城市通风廊道， 引导空气流通，降低污染 物浓度。
工业区布局优化
根据大气扩散模拟结果， 合理安排工业区的位置， 尽量减少对居民区的负面 影响。
绿地系统规划
结合大气扩散模拟，规划 城市绿地，发挥绿地对空 气质量的净化作用。
总结词
统计回归法是一种基于统计分析的浓度估算方法，通过建立污染物浓度与气象因 素、地形因素等之间的回归模型，预测污染物扩散浓度。
大气浓度扩散估算模式课件
排污许可证管理
03
依据核定的排放总量，发放排污许可证，对排污单位实施许可
管理，确保污染物排放符合总量控制要求。
空气质量预报与预警
气象资料分析
收集历史气象资料，分析气象要素与污染物扩散的关系，建立气 象条件数据库。
模式预测
利用大气浓度扩散估算模式，结合实时的气象数据，对未来一定 时间内的空气质量进行预测。
THANKS
感谢观看
模型建立
结合工业园区内的生产工艺、排放源强、地形地貌等信息，构建污染物扩散模型，考虑 气象条件、地形和局地小气候等因素对污染物扩散的影响。
结果分析
分析不同排放情景下，园区周边环境中的污染物浓度分布，评估园区对周边环境的污染 影响程度，为工业园区的规划和管理提供科学依据。
大气污染联防联控模拟案例
案例概述
应用
用于模拟和分析湍流状态下的大气污染物扩散过程，有助于更好地理 解污染物的扩散机制。
污染物扩散模型
定义
污染物扩散模型是用来模拟和预测污染物在大气中扩散的数学模型。
原理
通过建立数学方程来描述污染物的扩散过程，利用数值方法求解方 程，得到污染物浓度的空间分布和时间变化。
应用
广泛应用于大气污染防治、环境影响评价和城市规划等领域，为决 策者提供科学依据。
扩散和传输过程。
未来展望
随着科技的不断进步和应用需求 的提高，大气浓度扩散估算模式 将继续发展，考虑更多的影响因 素和复杂条件，提高模拟精度和
实用性。
02
大气浓度扩散估算模式的理论基 础
大气对流扩散理论
定义
应用
大气对流扩散理论是研究在大气流动 过程中，污染物如何在大气中传播、 扩散和稀释的理论。
数学建模气体扩散模型
数学建模气体模型：
模型假设：
1 假定武汉地区为立方体模型，用V 表示体积，用S 表示面积，边长为92公里，高为100米。
2 气体在无风作用下扩散速度为1.5m/s 。
3 PM2.5在任何空域都是均匀、连续的，浓度用c 表示。
4 K 为单位时间产生PM2.5的质量（减少PM2.5的关键在于减小K 值），并假定采取措施后，K 值随时间线性减小，Q 为单位时间扩散的体积。
模型：PM2.5浓度改变量=产生量-扩散量，建立微分方程：
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p x dx -p x dx -p x dx V [()()](())1(())V
Q c t +
c t =V V
c =c=V=8.510K =10Q=S v
=1.310y +p x y=q x y=c e +e q x e dx
c t c t t c t K Q c t t
d K Q c t d K a b t
a b t ⨯+-=-⨯⨯=⨯-⨯=-⨯-⨯⨯⨯⨯⨯⎰⎰⎰⨯⨯⨯⎰ ’初’（）（）（）（）（）边界条件：（0）280，五年后 35经计算，得，由一阶线性非齐次微分方程
（）（）
（）9-.t -7K=10-1.92t
c=280e +1.710t+0.0769⨯⨯⨯（00153）（）得出
由上述计算看出，通过采取措施，不断减少K （单位时间产生PM2.5的质量），减少排出量，进而降低PM2.5的浓度，五年后（t=4.56⨯810），K=83
10/g m μ，进而PM2.5浓度由33280/35g /g m m μμ减至。
气体扩散
(三)高架连续点源扩散模式（有界空间）实际的污染物排放源多位于地面或接近地面的大气边界层内，污染物在大气中的扩散必然会受到地面的影响，这种大气扩散称为有界大气扩散。
所以在建立大气扩散模式时，必须考虑地面的影响。
根据前述假定(4)污染物在扩散中质量守恒，即污染物在扩散过程即不增加也不减少。
图4-3根据无界空间点源扩散的高斯模式，可以推导出高架连续点源在正态分布假设下的高斯扩散模式。
式中、-- 污染物在y、z方向分布的标准差，m；ρ-- 任一点处污染物的浓度，g/m3；-- 平均风速，m/s；H -- 有效源高，mQ -- 源强，g/s如图4-3所示，我们可以把P点污染物浓度看成是实源贡献和像源贡献之和：实源贡献像源贡献所以点的实际污染物浓度应为由此模式可以求出下风向任一点的污染物浓度。
下面介绍几种常用的大气扩散模式。
(1)地面浓度模式 (2)地面轴线浓度模式(3)地面最大浓度模式(1)地面浓度模式我们最关心的是地面上污染物浓度，而不是空间任一点的污染物浓度。
令Z=0，由高架点源扩散模式，得:高架连续点源高斯模式推导示意图(2)地面轴线浓度模式地面浓度是以X轴对称的，轴线X上具有最大值，向两侧（y 方向）逐渐减小，由地面浓度模式，令y=0时，得到地面轴线浓度模式：由地面浓度模式在y=0时得到地面轴线浓度：(3)地面最大浓度模式（即地面轴线浓度最大浓度）我们知道，，是距离x的函数，而且随x的增大而增大。
两项共同作用的结果，必然在某一距离x处出现浓度的最大值。
在最简单的情况下，假设标准差的比值不随x的变化而变化，而是一常数把地面轴线浓度对求导，并另其等于0，再经过一些简单运算，即可求得地面最大浓度及其出现距离的计算公式：。
fluent 组分输运 室内气体扩散计算
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常见的泄露源: 常见的泄露源: 爆炸形成瞬时泄露——烟团 爆炸形成瞬时泄露 烟团
扩散过程研究
不同性质气体在不同条件下表现出不同 的特征 观察者对过程特征的选取
重气扩散过程
四个阶段 ★初始阶段：物质从容器泄漏出，形成气云后在本身的惯性力和外界风速的作用下，上升变形； 初始阶段： 初始阶段 物质从容器泄漏出，形成气云后在本身的惯性力和外界风速的作用下，上升变形； ★重力沉降阶段和空气卷吸阶段：当气云初始动量消失后，重力占主导地位。由于云团与周围空气 重力沉降阶段和空气卷吸阶段： 重力沉降阶段和空气卷吸阶段 当气云初始动量消失后，重力占主导地位。 间的密度差，导致重气塌陷，沿地表面拓展，引起云团厚度的降低和径向尺寸的增大， 间的密度差，导致重气塌陷，沿地表面拓展，引起云团厚度的降低和径向尺寸的增大，而在大气湍 流的作用下外界空气进入云团，即空气卷吸，云团被稀释， 流的作用下外界空气进入云团，即空气卷吸，云团被稀释，同时由于初始泄漏云团与周围环境的温 度差异而进行热量交换； 度差异而进行热量交换； ★非重气扩散转变：随着云团的稀释冲淡，重气效应逐渐消失，重气扩散转变为非重气扩散； 非重气扩散转变： 非重气扩散转变 随着云团的稀释冲淡，重气效应逐渐消失，重气扩散转变为非重气扩散； ★大气湍流扩散阶段(被动扩散)：即大气湍流对云团的扩散起支配作用。 大气湍流扩散阶段( 大气湍流扩散阶段 被动扩散) 即大气湍流对云团的扩散起支配作用。
气体扩散浓度计算模型介绍
华东理工大学 沈艳涛
2006.8.31
第一部分 扩散过程与模型分类介绍
相关背景——污染性泄露 污染性泄露 相关背景
大气污染性泄露的形式： 大气污染性泄露的形式：
– 自然方面：火山喷发的有害气体，某些物质自 自然方面：火山喷发的有害气体， 燃或在一定条件下产生的有毒气体， 燃或在一定条件下产生的有毒气体，环境微生 物产生的某些气体 – 日常生活方面：生活用煤产生的含氮硫氧气体 日常生活方面： – 石化燃料动力的交通车辆产生的尾气将在一定 气候下生成光化学雾 – 工业用气体的泄漏，特别是化学工业用到的大 工业用气体的泄漏， 量的有毒有害， 量的有毒有害，易燃易爆的气体 – 其他方面产生的一些气体及烟尘
第一类： 第一类：唯像模型
唯像模型是由一系列图表或简单关系式来 描述扩散行为的。 描述扩散行为的。 McQuaid在重气扩散手册中推 Britter and McQuaid在重气扩散手册中推 荐了一套简单而实用的方程式和列线图， 荐了一套简单而实用的方程式和列线图， 称之为B&M模型， B&M模型 称之为B&M模型，他们是收集了许多重气扩 散的实验室和现场实验的研究结果， 散的实验室和现场实验的研究结果，以无 因次的形式将数据连线并绘制成与数据匹 配的曲线或列线图。 配的曲线或列线图。
箱模型实例（ Ulden，1970） 箱模型实例（by Van Ulden，1970）
g (ρ − ρa )H dR Uf = = k考”密度和空气密度，kg·m ρr，ρa－为气云的“参考”密度和空气密度，kg m-3； 为常数。 K－为常数。
箱模型： 箱模型：重性气向非重气的转折
随着云团的稀释冲淡过程，重气效应逐步地消失， 随着云团的稀释冲淡过程，重气效应逐步地消失， 当重气扩散转变为非重气扩散时， 当重气扩散转变为非重气扩散时，大气湍流对云 团的扩散起支配作用，云团的高度、 团的扩散起支配作用，云团的高度、半径及运行 状态完全取决于大气湍流特性， 状态完全取决于大气湍流特性，实际上气体的浓 度分布开始接近为高斯形状， 度分布开始接近为高斯形状，仍然假定为均匀就 不再合理。 不再合理。因此箱模型通常都有从均匀气云向高 斯分布的转折点， 斯分布的转折点，即重气扩散向非重气扩散的转 折点，采用理查逊数、 折点，采用理查逊数、沉降速度和速度尺度的关 系，或者运用云团密度与周围空气的密度差来判 断。
箱模型其他研究情况介绍
Manju（1995）在总结以前学者的研究基础上， Manju（1995）在总结以前学者的研究基础上，开 发了ⅡT Models模型 模型， 发了ⅡT Heavy Gas Models模型，可以用于模拟 重气瞬时泄漏扩散和连续泄漏扩散。 重气瞬时泄漏扩散和连续泄漏扩散。 扩散模型包括了重力沉降、空气卷吸、 扩散模型包括了重力沉降、空气卷吸、云团受热 和向非重气云团过渡。 和向非重气云团过渡。 对扩散过程中的重力沉降系数、 对扩散过程中的重力沉降系数、顶部卷吸系数和 侧面卷吸系数的取值进行了分析比较， 侧面卷吸系数的取值进行了分析比较，提出了建 议取值， 议取值，并提出利用云团密度与周围空气密度差 小于0.001Kg/m3 0.001Kg/m3来判断云团是否过渡为非重气云 小于0.001Kg/m3来判断云团是否过渡为非重气云 团。
箱模型实例（ Ulden，1970） 箱模型实例（by Van Ulden，1970）
对于重气瞬时泄漏形成的云团， 对于重气瞬时泄漏形成的云团，一般把箱模型看 作为一个圆柱形，如Van Ulden（1970年）提出将 作为一个圆柱形， Ulden（1970年 重气烟团当作一个初始体积为V 初始高度为H 重气烟团当作一个初始体积为V0，初始高度为H0， 初始半径为R 的圆柱形，高度和半径随时间变化， 初始半径为R0的圆柱形，高度和半径随时间变化， 与被动扩散的高斯模型相比， 与被动扩散的高斯模型相比，主要改进是考虑到 云团的重力沉降现象，即在重力作用下， 云团的重力沉降现象，即在重力作用下，云团下 沉，半径R增加，同时高度H减小。 半径R增加，同时高度H减小。
箱模型对重气研究基本假定
对于重气连续泄漏形成的烟羽， 对于重气连续泄漏形成的烟羽，一般把箱模型看 作一个矩形， Jagger在 Kaiser提出的 作一个矩形，如Jagger在Fryer & Kaiser提出的 烟团模型DENZ的基础上， DENZ的基础上 烟团模型DENZ的基础上，开发了相应的烟流模型 CRUNCH，用来模拟稳态连续泄漏。 CRUNCH，用来模拟稳态连续泄漏。 模型假定高为H 宽为2L的矩形截面， 2L的矩形截面 模型假定高为H、宽为2L的矩形截面，原先半径和 高度随时间变化的微分方程变成半宽和高度随下 风距离变化的方程， 风距离变化的方程，原先径向重力扩散速度变成 了侧向重力扩散速度。 了侧向重力扩散速度。
分别为气云横截面上的平均浓度、初始浓度，kg·m Cm，C0－分别为气云横截面上的平均浓度、初始浓度，kg m-3； Vc0－为连续烟流释放的初始气云体积流量，m3·s-1； 为连续烟流释放的初始气云体积流量， s 为瞬时烟团释放的初始气云体积， Vi0－为瞬时烟团释放的初始气云体积，m3； 10m高处的风速 高处的风速， u－为10m高处的风速，m·s-1； )/ρa， g0’－为初始的折算重力项，g0’＝g(ρ0-ρa)/ρa，ρ0，ρa分别 －为初始的折算重力项， ＝ 为初始气云密度和外界空气密度； 为初始气云密度和外界空气密度； 普遍化无因次函数。 fc,fi－普遍化无因次函数。
模型特点与适用
该模型比较简单，属于经验模型， 该模型比较简单，属于经验模型，外 延性较差， 延性较差，可以用于确定工厂警戒线 处产生主要影响的基本物理因素。 处产生主要影响的基本物理因素。 德国的VDI模型也采用了与BM VDI模型也采用了与BM模型类似 德国的VDI模型也采用了与BM模型类似 的处理方法。 的处理方法。
第二类： 第二类：箱及相似模型
箱模型和相似模型都是假定浓度、 箱模型和相似模型都是假定浓度、温 度等在任何下风向横截面均满足一个 简单分布，箱模型假定浓度、 简单分布，箱模型假定浓度、稳定等 在箱内是均匀分布的，其它区域为0 在箱内是均匀分布的，其它区域为0； 而相似模型则假定模型内符合相似分 如高斯分布）等简单形状。 布（如高斯分布）等简单形状。
箱模型： 箱模型：重性气云早期扩展
扩散的过程中还考虑到周边空气的卷吸。 扩散的过程中还考虑到周边空气的卷吸。早期的 研究者在Van Ulden的重气云实验基础上 的重气云实验基础上， 研究者在Van Ulden的重气云实验基础上，提出空 气由模型的顶部卷吸进来是占主导作用的， 气由模型的顶部卷吸进来是占主导作用的，随着 更深入的认识，很多研究者， 更深入的认识，很多研究者，如Hanna & Drivas Mcquaid都一致认为空气是从模型的顶部和侧面 和Mcquaid都一致认为空气是从模型的顶部和侧面 同时卷吸进来的，卷吸的速度受Richardson Richardson、 同时卷吸进来的，卷吸的速度受Richardson、纵 向湍流速度、大气稳定度、风速、 向湍流速度、大气稳定度、风速、摩擦风速等影 响。由于不同的箱模型采用了不同的空气卷吸参 数，从而导致了不同的模式计算结果的差别是很 大的。 大的。
过程中变异性问题
源与边界的差异性及弱化
◘ 温度差异 ◘ 密度差异
气体泄漏扩散研究方法
试验法 风洞实验法 模型法
试验数据 试验法
问题特点
比例 风洞实验
验证 模型
特征提取与模化
气体扩散浓度计算模型分类
重气泄漏扩散的数值模拟方法依据各自的 建模原理以及复杂程度可分为五类 :
– – – – –
第一类： 第一类：唯像模型 第二类： 第二类：箱及相似模型 第三类 浅层模式模型 第四类： 第四类：三维模式模型 第五类 随机游走模式模型
轻气扩散过程
物质从容器泄漏出，形成气云后在本身的惯性力和外界风速的作用下，上升变形。 物质从容器泄漏出，形成气云后在本身的惯性力和外界风速的作用下，上升变形。
中性气扩散过程
两个阶段 ★初始阶段：物质从容器泄漏出，形成气云后 初始阶段： 初始阶段 物质从容器泄漏出， 在本身的惯性力和外界风速的相互作用； 在本身的惯性力和外界风速的相互作用； ★大气湍流扩散阶段：即大气湍流对云团的扩 大气湍流扩散阶段： 大气湍流扩散阶段 散起支配作用。 散起支配作用。
模型常使用的相关假定