大气风场及污染物扩散的数学模型研究

发布时间：2016-12-01 10:29

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大气风场及污染物扩散的数学模型研究 投稿：金攅攆

 

 

2002年12月第21卷第04期包头钢铁学院学报 JournalofBaotouUniversityofIronandSteelTechnologyDecember,2002Vol.21,No.4 文章编号:1004-9762(2002)04-037…

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2002年12月第21卷第04期包头钢铁学院学报

JournalofBaotouUniversityofIronandSteelTechnologyDecember,2002Vol.21,No.4

　　文章编号:1004-9762(2002)04-0376-04

大气风场及污染物扩散的数学模型研究

刘长威,陈义胜,胡银枝

1

2

2

(1.包头钢铁学院科研处,内蒙古包头　014010;2.包头钢铁学院冶金工程研究所,内蒙古包头　014010)

关键词:大气风场;污染物扩散;数学模型中图分类号:X132　　　文献标识码:A

摘　要:在湍流模型的基础上建立了大气风场数学模型和与之耦合的污染物扩散数学模型.模拟给出了一个开放空间内风遇地面建筑物的绕流过程,以及由建筑物中排放出的污染物在空气中的扩散过程.

Themathematicalmodelstudyofpollutingfountain

diffusionconcentrationinairpollution

LIUChang-wei,CHENYi-sheng,HUYin-zhi

014010,China)

Keywords:flowfield;pollutingfountaindiffusion;mathematicalmodel

Abstract:Basedontheturbulentmathematicalmodel,themodelsofairflowfieldandpollutingdiffusionwerebuilt.Processesintheopenspaceweresimulatedwhichincludedboththewindflowdetourwhilepassingthroughbuildingsonthegroundandthediffusionofpollutantssentoutfromthebuildingsintotheair.

1

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2

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

　　分析和预报污染物在大气中的扩散过程必须要考虑大气自身的运动特点,只有掌握了大气的运动规律才能很好地研究污染物扩散以及污染源对周边环境的影响.目前,国内外多数学者普遍采用传统的高斯模式来研究污染物在大气中的扩散问题,而高斯模式是基于对大气流动、下垫面条件和污染物扩散等几点假设的前提下建立的,因而,在应用过程中存在一定的局限性

[1～3]

迎风面积;(3)大气层结造成的空气上下对流作用对近地面风场影响相对于主风向风力影响可以忽略;

(4)在选取相对建筑物足够大的范围研究近地风场时,可以近似认为风沿主风向平行流动.

1.1　风场数学模型

1.1.1　基本假设

基于以上对近地风场特点的分析,在模型建立中提出如下几点假设:

(1)在研究区域内,上部自由界面没有物质交换;(2)在选取的足够大的研究区域内,沿主风向的2个侧面近似为对称面.1.1.2　数学模型

连续性方程:

(ρuj)=0; xj

动量方程:

(1)

.随着计算技术的飞速发展,应用数

学模型,通过计算机模拟来分析大气污染的过程已成

为研究大气污染的最有效手段之一[1,4].

1　大气湍流流动过程的数学描述

对于近地面局部区域的大气运动规律应该具备这样的特点:(1)地面是风场的固体边界,具有湍流流动固体边界的作用

[5]

;(2)地面上的建筑物对风场

有扰动作用,扰动作用的大小取决于建筑物高度和

收稿日期:2002-10-03

(-),男,,.

刘长威等:大气风场及污染物扩散的数学模型研究

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2

=Dx+Rx.ui xi x2i

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

(2)

描述湍流运动的k-ε双方程模型: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

写成统一的控制方程为:μeff(ρuj )=)+S . xj xjσxj

(6)

1.2.3　边界条件

(1)地面边界按反射边界处理,即=0;

xi

(2)研究区域2个侧面用对称边界,即=0;

xi

(3)主流出入口边界,入口按C=0,出口按出口边界计算;

(4)顶部按自由界面处理.

(3)

2　模拟研究方法

选取长8km,宽4km,高800m的1个包围孤立

(5)

污染源的区域进行模拟研究.建筑物高60m,宽400m,长500m,处于研究区域的上风向.平均风速2.5m/s.建立1个直角坐标系,把研究区域划分成微元体,进行数值模拟.对以上微分方程进行差分处理,转化成微元体上的代数方程,然后编制成计算机程序进行迭代求解,得到数值解.

1.1.3　边界条件

(1)地面边界用固体边界来处理,具体为u=v=w=0;

(2)研究区域2个侧面用对称边界,即

=0, x

=0; z

(3)主风向上的2个边界,按入口和出口边界处理;

(4)顶部按自由界面处理.

3　模拟结果与讨论

3.1　大气风场模拟结果

分析如图1,2所示的模拟结果可以得出,建筑

物前方气流均匀稳定地进入模拟区域,遇到建筑物后,气流无论是速度还是方向都发生了很大变化.在建筑物下风向后气流紊乱,速度减小,形成1个扩散型扰动尾翼,尾翼呈扩展趋势,向水平的2个侧面和高空扩展,但影响强度在不断地减弱.离开建筑物越远,气流扰动逐渐消除,气流有逐渐恢复到进入模拟区以前的流动状态的趋势

.

1.2　污染物扩散数学模型

1.2.1　基本假设

(1)从建筑物排放出的污染物可以近似为点源;(2)污染源排放出的污染物随时间没有变化;

(3)污染源是孤立源.1.2.2　数学模型

污染物扩散控制方程:

图1　建筑物上方大气流场图

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包头钢铁学院学报2002年12月　第21卷第4期

图2　近地面风场Fig.2　Flowfieldnearground

3.2　污染物在运动大气中扩散模拟结果

分析如图3～5所示的模拟结果可以得出,在本

模拟条件下,由于有较强的单向风作用,污染物的污染区域仅仅在建筑物(污染源)的下风向形成.靠近污染源的地方,污染物集中,扩散程度很小;越远离污染源,污染物扩散程度和范围越大,且污染区域沿着风的方向远离污染源.

在本模拟研究过程中,假设将1个污染源群近似看作点源,且排放流量为40000m/s.污染物在大气中的浓度为1.29×106C,C为图3～5中的百

3

分比浓度值,以图中7×10值为例,则该值表示污

染物在大气中的浓度为1.29×106×7×10-6=9.03mg/m3.如果以污染物CO为例,按照二级标准(商业交通居民混合区、文化区等)的污染物排放限值规定,CO时均浓度值应≤10mg/m3[6,7],从图3,4中可以得出,在污染源的水平面方向上,横风向离开污染源约1000m以上,CO在大气中的浓度即小于二级标准的浓度限值;横风向离开污染源约小于1000m,CO在大气中的浓度即超过了二级标准的浓度限值

.

-6

图3　建筑物上部水平面污染物扩散图

Fig.3　Pollutingfountaindiffusioninhorizontalplaneupperbuilding

刘长威等:大气风场及污染物扩散的数学模型研究

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图4　水平地面平面污染物扩散图

Fig.4　Pollutingfountaindiffusiononplaneinhorizontal

ground

图5　沿风向垂直面污染物扩散图

Fig.5　Pollutingfountaindiffusiononverticalplanealongwinddirection

学国家重点实验室.空气污染数值预报模式系统[M].北京:气象出版社,1999.

[2]　郝吉明,马广大,等.大气污染控制工程[M].北京:高

等教育出版社,1989.

[3]　李宗恺,潘云仙,孙润桥.空气污染气象学原理及应用

[M].北京:气象出版社,1985.

[4]　宋文彪.空气污染控制工程[M].北京:冶金工业出版

社,1985.

[5]　张　胤,贺友多,李士琦,等.二维非稳定态流场计算

[J].包头钢铁学院学报,1999,18(2):98-102.

[6]　HJ/T2.2—93,中华人民共和国环境保护行业标准:环

境影响评价技术导则———大气环境[S].

[7]　GB3095—1996,中华人民共和国环境空气质量标准

[S].

4　结论

(1)运动的大气流遇到建筑物时,在建筑物的阻挡下会在下风向产生扰动.扰动范围随离开建筑物的距离增加而增加,但扰动强度减弱.

(2)从建筑物中排出的有害气体在建筑物下风向会产生局部污染,污染范围与排出污染物浓度、风向、风速有关.

(3)应用计算机数学模型模拟大气流场和污染物扩散的过程,模拟结果和理论分析的一致性较好,该方法是研究大气污染的一种有效手段.参考文献:

[1]　中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化

 

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2002年12月第21卷第04期包头钢铁学院学报 JournalofBaotouUniversityofIronandSteelTechnologyDecember,2002Vol.21,No.4 文章编号:1004-9762(2002)04-037…

2002年12月第21卷第04期包头钢铁学院学报 JournalofBaotouUniversityofIronandSteelTechnologyDecember,2002Vol.21,No.4 文章编号:1004-9762(2002)04-037…

 

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