【正文】 前研究湍流的主要方法有兩種： ? 一種是半經(jīng)驗理論方法 ，它是通過解運動方程等來研究邊界層大氣運動； ? 是模仿氣體分子運動與氣體宏觀運動的理論處理方法，結(jié)合經(jīng)驗事實，采用適當(dāng)?shù)膮?shù)。 ? 圖 變形，這是一種最強的擴(kuò)散過程。 ? 圖 。理論和方法的運用不可分割，應(yīng)該將它們很好地結(jié)合在一起，得出與實際大氣污染擴(kuò)散相符合的計算模式。我們把這種理論稱為相似擴(kuò)散理論。 ? 湍流擴(kuò)散相似理論的基本觀點是，湍流由許多大小不同的湍渦所構(gòu)成，大湍渦失去穩(wěn)定分裂成小湍渦，同時發(fā)生了能量轉(zhuǎn)移，這一過程一直進(jìn)行到最小的湍渦轉(zhuǎn)化為熱能為止。 7 圖 41由湍流引起的擴(kuò)散 8 ? 湍流相似擴(kuò)散理論，最早始于英國科學(xué)家里查森和泰勒。從原點釋放出的一個粒子的位置用 y表示，則y隨時間而變化，但其平均值為零。 ? 圖 41表示從污染源釋放出的粒子，在風(fēng)沿著 x方向吹的湍流大氣中擴(kuò)散的情況。 6 二、湍流擴(kuò)散理論簡介 ? ： ? 泰勒 (G． I． TaYler)首先應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法研究湍流擴(kuò)散問題，并于 1921年提出了著名的泰勒公式。為了求得各種條件下某污染物的時、空分布，必須對分子擴(kuò)散方程在進(jìn)行擴(kuò)散的大氣湍流場的邊界條件下求解。菲克認(rèn)為分子擴(kuò)散的規(guī)律與傅立葉提出的固體中的熱傳導(dǎo)的規(guī)律類似，皆可用相同的數(shù)學(xué)方程式描述。他把這個理論表述為：“假定食鹽在其溶劑中的擴(kuò)散定律與在導(dǎo)體中發(fā)生的熱擴(kuò)散相同，是十分自然的。 起因有兩種形式 ： ?熱力：溫度垂直分布不均 （ 不穩(wěn)定 ） ?機械：垂直方向風(fēng)速分布不均勻及地面粗糙度 4 —— 雷諾數(shù) ? 雷諾還找到了由層流運動轉(zhuǎn)換到湍流運動的判據(jù) —— 雷諾數(shù)（ Re） ? 臨界雷諾數(shù) ? 試驗（圓管）表明： ? 當(dāng) Re2022時的流體流動是 湍流 ? 當(dāng) Re2022時的流體流動是層流 ? 數(shù)值 Re＝ 2022叫臨界雷諾數(shù) ? 大氣湍流 —— 臨界雷諾數(shù) ? 對于大氣： ? V= 105m2/s ? 若取 L=1m ? 只要 U? 則 Re6000 ? 所以通常認(rèn)為大氣運動都是湍流運動 ?LURe ?5 二、湍流擴(kuò)散理論簡介 ? 主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關(guān)系 ? ? 德國科學(xué)家菲克，在 1855年發(fā)表了一篇題為“論擴(kuò)散”的著名論文。 （ 有點象分子的熱運動 ） 或者說湍流是大氣的無規(guī)則運動 。 3 167。教學(xué)重點 ?掌握影響污染物稀釋擴(kuò)散法控制的有關(guān)條件；污染物濃度估算的高斯模式，煙囪高度的設(shè)計方法。 6煙囪高度設(shè)計 167。 4特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式 167。 2高斯擴(kuò)散模式 167。1 第四章 大氣擴(kuò)散濃度估算模式 教學(xué)內(nèi)容 167。 1湍流擴(kuò)散的基本理論 167。 3污染物濃度的估算方法 167。 5城市及山區(qū)的擴(kuò)散模式 167。 7廠址選擇 2 第 4章 大氣擴(kuò)散濃度估算模式 ?教學(xué)要求 ?要求了解湍流擴(kuò)散的基本理論，理解和掌握高斯擴(kuò)散模式、煙囪高度的設(shè)計和廠址的選擇。 ?教學(xué)難點 ?污染物稀釋擴(kuò)散法控制，污染物濃度估算的高斯模式。 1湍流擴(kuò)散的基本理論 ? 一 、湍流概念簡介 ? 擴(kuò)散的要素 ?風(fēng) ： 平流輸送為主 ， 風(fēng)大則湍流大 ?湍流：擴(kuò)散比分子擴(kuò)散快 105～ 106倍 什么是湍流 ？ 除在水平方向運動外 ， 還會由上 、 下 、 左 、 右方向的亂運動 ， 風(fēng)的這種特性和擺動稱為大氣湍流 。 湍流與擴(kuò)散的關(guān)系 把湍流想象成是由許多湍渦形成的 ， 湍渦的不規(guī)則運 動而形成它與分子運動極為相似 。在這篇論文中，他首先提出了梯度擴(kuò)散理論?！? ? 通過泰勒（ ）與菲克（ A. Fick）擴(kuò)散理論的類比建立起來的。 ? 湍流梯度輸送理論進(jìn)一步假定，由大氣湍流引起的某物質(zhì)的擴(kuò)散，類似于分子擴(kuò)散，并可用同樣的分子擴(kuò)散方程描述。然而由于邊界條件往往很復(fù)雜，不能求出嚴(yán)格的分析解，只能在特定的條件下求出近似解，再根據(jù)實際情況修正。湍流統(tǒng)計理論假定：流體中的微粒與連續(xù)流體一樣，呈連續(xù)運動，微粒在進(jìn)行傳輸和擴(kuò)散時，不發(fā)生化學(xué)和生物學(xué)反應(yīng)；微粒的大小和質(zhì)量不計，并將微粒運動看作是相對于一定空間發(fā)生的。假定大氣湍流場是均勻、穩(wěn)定的。如果從原點放出很多粒子，則在 x軸上粒子的濃度最高，濃度分布以 x軸為對稱軸，并符合正態(tài)分布。后來由于許多科學(xué)家的努力，特別是俄國科學(xué)家的貢獻(xiàn)，使湍流擴(kuò)散相似理論得到很大發(fā)展。從這一基本觀點出發(fā)，利用量綱分析的理論，建立起某種統(tǒng)計物理量的普適函數(shù)，再找出普適函數(shù)的具體表達(dá)式，從而解決湍流擴(kuò)散問題。 ? 利用這些理論進(jìn)行研究時，常采用數(shù)值分析法、現(xiàn)場研究法和實驗室模擬研究法三種方法。 9 10 11 大氣湍流與污染物的擴(kuò)散 ? 圖 a表示煙團(tuán)在比它尺度小的湍渦作用下，一邊隨風(fēng)遷移，一邊受到湍渦的攪擾，邊緣不斷與周圍空氣混合，體積緩慢地膨脹，煙團(tuán)內(nèi)部的濃度也不斷地降低。這時煙團(tuán)主要被湍渦所挾帶，本身增長不大。 ? 在實際大氣中同時存在著各種不同大小的湍渦，擴(kuò)散過程是上述幾種過程共同完成的。 ? 雖然這個理論本身還很粗糙，但能夠解決一些實際問題 (如物體在流體中運行的阻力 )，所以許多應(yīng)用科學(xué)家和工程技術(shù)人員對此比較感興趣 ? 另一種是湍流統(tǒng)計理論方法 ，即物理上把湍流視為大大小小不同尺度湍渦的迭加，用數(shù)學(xué)來描述則是把湍流看成無窮多個頻率各異的波迭加而成，采用數(shù)理統(tǒng)計途徑，來分析研究湍流內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 13 ? 這三個理論分別： ? 考慮不同 的物理機制， ? 采用不同 參數(shù)， ? 利用不同 的氣象資料， ? 在不同的假定 條件下建立起來的。 2高斯擴(kuò)散模式 ? 一、高斯模式的有關(guān)假定 ? ? 坐標(biāo)系取排放點 （ 無界源 、 地面源或高架源排放點 ） 在地面的投影點為原點 ， 主風(fēng)向為 x軸 ， y軸在水平面內(nèi)垂直于 x軸 ，正方向在 x軸的左側(cè) ， z軸垂直于水平面 ， 向上為正 ， 即右手坐標(biāo)系 。 此坐標(biāo)系中 ， 煙流中心與 x軸重合或煙流在 oxy平面的投影為 x軸 。 與空氣中污染物質(zhì)的濃度成正比 ， 它是研究空氣污染問題的基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 。 δy— 側(cè)向擴(kuò)散參數(shù) ， 污染物在 y方向分布的 標(biāo)準(zhǔn)偏差 ， 是距離 y的函數(shù) ， m； δz— 豎向擴(kuò)散參數(shù) ， 污染物在 z方向分布的 標(biāo)準(zhǔn)偏差 ， 是距離 z的函數(shù) ， m； 未知量 — 濃度 c、 待定函數(shù) A(x)、 待定系數(shù) a、 b； 式 ① 、 ② 、 ③ 、 ④ 組成一方程組 ， 四個方程式有四個未知數(shù) ，故方程式可解 。 地面對污染物的影響很復(fù)雜 ， 如果地面對污染物全部吸收 ， 則 ⑧ 式仍適用于地面以上的大氣 ， 但根據(jù)假設(shè) ④ 可認(rèn)為地面就象鏡子一樣對污染物起全反射作用 ，按全反射原理 ， 可用： “ 像源法 ” 處理這類問題 。 見下頁圖：相當(dāng)于位置在 （ 0， 0， H）的實源和位置在 （ 0， 0， H） 的像源 ， 當(dāng)不存在地面時在 P點產(chǎn)生的濃度之和 。 （ 4 ）高架連續(xù)點源正態(tài)分布下 地面濃度擴(kuò)散模式 Z= 0 時即得地面濃度模式： ? ????????????????????22222e x p2e x p,0,zyzyHyuQHyxC????? 26 （ 5 ）高架連續(xù)點源正態(tài)分布下 地面軸線濃度模式 ? ???????????222e x p,0,0,zzyHuQHxC???? （ 6 ）高架連續(xù)點源正態(tài)分布下 地面最大濃度模式及位置 σy、 σz是 距離 x 的函數(shù)（ 而 x 是 t 的函數(shù)）， 且 隨 x 的增大而增大， 在上式中zyuQ???隨 x 增大而減小， 而?????????222e x pzH?隨 x 的增大而 增大 ， 兩項共同作用的結(jié)果 必 將在某一距離 x 上出現(xiàn)最大濃度 Cm ax。 27 由 02e x p22???????????????????zzyzzHuQddddc?????? 得 ?????????yzeHuQC???2m ax2 且最大濃度出現(xiàn)于滿足下列關(guān)系的下風(fēng)處： 222Hz?? 2m a xHXCXz??? 則風(fēng)速不變時，可導(dǎo)出2m axe u HQc?? 28 以上模式適用于氣態(tài)污染物和粒徑小于 10μm的飄塵 ， 對于大 10μm的顆粒物 ， 由于自身的沉降作用 ， 濃度分布將有所改變 。 5 、 地面連續(xù)點源擴(kuò)散模式 令 H =0 的地面連續(xù)點源擴(kuò)散模式 ????