静风条件下烟尘扩散模式研究
大气污染物的传输与扩散模拟
大气污染物的传输与扩散模拟在现代城市中，大气污染已经成为一项严峻的问题。
空气中的污染物对人类健康和生态环境造成了极大的影响。
为了解决这一问题，科学家们开始研究大气污染物的传输与扩散规律，并开展各类模拟研究。
大气污染物的传输与扩散受到多种因素的影响。
首先，气象条件是影响大气污染物传播的重要因素之一。
风速、气温和湿度等因素会直接影响大气污染物的传输速度和方向。
风速越大，污染物的传播范围就越广；湿度越高，污染物的浓度就越易被稀释。
其次，地理条件也会对大气污染物的传输与扩散产生重要影响。
城市的地形、高楼大厦等建筑物会影响风的流动，从而影响污染物的扩散。
此外，道路交通、工业排放等人为因素也是大气污染的重要来源，它们直接影响着大气污染物在城市中的传播。
为了研究大气污染物的传输与扩散规律，科学家们利用模型进行模拟研究。
这些模型根据气象条件、地理条件和人为因素等多个因素进行建模，并通过数学计算得出污染物的传输与扩散情况。
这些模型在实际应用中发挥了重要的作用。
例如，在环境保护部门，模型的使用可以帮助监测和评估大气污染物的扩散情况，为制定管控措施提供依据。
在城市规划领域，模型也可以用于预测新建项目对周边环境的影响，从而提前做好环境保护措施。
同时，模型也可以用于指导医疗健康领域的研究，帮助科学家们了解大气污染物对人体健康的潜在危害。
在模拟研究中，科学家们还遇到了一些挑战。
首先，建模需要大量的数据支持，而且这些数据往往来自不同来源，质量和准确性各不相同。
科学家们需要对数据进行采集、整理和校正，以保证模型的可靠性。
其次，建模过程中的参数选择也是一个关键问题。
不同参数的选择可能导致不同的结果，科学家们需要仔细考量，确保模型的准确性和可靠性。
最后，模型的运算也需要消耗大量的时间和计算资源，科学家们需要采用高效的算法和计算平台，以完成模拟研究。
尽管面临诸多挑战，科学家们在大气污染物传输与扩散模拟研究方面取得了重要进展。
他们不断改进和优化模型，提高模拟的准确性和可靠性。
大气污染物气象扩散模型研究
大气污染物气象扩散模型研究引言:大气污染对人类健康和环境造成了严重的影响。
如何准确预测和评估大气污染物的扩散过程成为了环境科学领域的重要研究问题之一。
为了更好地理解和解决这一问题，科学家们开展了大量的研究工作，其中包括大气污染物气象扩散模型的研究。
本文将介绍大气污染物气象扩散模型的研究现状、主要的模型及其应用领域。
一、大气污染物气象扩散模型的研究现状大气污染物气象扩散模型是通过建立数学模型，模拟和预测大气污染物在大气中的传输、扩散和沉降过程。
这些模型基于大气环流、物理过程和化学反应等因素进行计算，以提供精确的大气污染物浓度和传播方向等信息。
目前，大气污染物气象扩散模型研究主要集中在以下几个方面：1.物理参量模型：物理参量模型通过对大气层的物理特性和过程进行建模，如大气环流、湍流扩散和大气边界层等，来描述大气污染物的传输和扩散行为。
常见的物理参量模型包括Gaussian模型、Box模型和Lagrangian模型等。
这些模型基于物理方程和统计学原理，能够较好地模拟大气污染物的传输和扩散过程。
2.数值模拟模型：数值模拟模型是通过将大气分为网格单元，利用数值方法求解运动方程和污染物浓度的方程，来模拟大气污染物的传输和扩散过程。
常见的数值模拟模型包括Eulerian模型、Lagrangian模型和Hybrid模型等。
这些模型基于数值计算方法，能够更加精细地模拟大气污染物的传输和扩散过程。
3.数据驱动模型：数据驱动模型是通过利用大量的观测数据和统计方法，来建立大气污染物的传输和扩散模型。
常见的数据驱动模型包括回归模型、神经网络模型和支持向量机模型等。
这些模型基于数据分析和统计学方法，能够从观测数据中发现污染物的扩散规律，对大气污染进行预测和评估。
二、主要的大气污染物气象扩散模型1. Gaussian模型：Gaussian模型是一种基于统计学原理的物理参量模型，常用于描述大气污染物的传输和扩散过程。
该模型假设污染物浓度服从高斯分布，并考虑大气环流、湍流扩散和大气边界层等因素，能够较好地模拟污染物的传输过程。
中央空调系统中污染物扩散的模拟研究
中央空调系统中污染物扩散的模拟研究中央空调系统是现代建筑中广泛采用的一种空气调节设备。
随着建筑物的密闭性和人口密度不断增加，它们对空气质量的要求也越来越高。
因此，中央空调系统的室内空气质量问题备受关注，其中污染物的扩散问题是一个重要的研究方向。
中央空调系统的室内空气质量问题主要包括两个方面：一是室内空气中的污染物种类和浓度；二是温度、湿度和气流等参数的控制。
其中，污染物的扩散与调节系统的设计、室内物理结构、人员活动等因素密切相关。
因此，在分析室内污染物扩散问题时，需要考虑多种因素。
首先，室内物理结构对污染物扩散的影响是显著的。
建筑物内部有许多区域，如走廊、房间、开放式工作区等，它们的布局和开放程度会对气流的流动和污染物扩散产生影响。
例如，在开放式工作区内，人员的活动和机器设备的工作会导致气流的紊乱，从而加剧了污染物的扩散。
因此，对不同区域的气流和污染物扩散进行模拟和分析是十分必要的。
其次，中央空调系统的参数对室内气流和污染物扩散具有重要影响。
温度、湿度和气流速度等参数的调节可以控制室内气流的流动方向和速度，从而影响污染物的扩散。
例如，将空调送风口设置在室内的高处，可以强制产生从高处到低处的气流，从而促进污染物在室内的扩散。
因此，在进行气流模拟时，需要将中央空调系统的参数和运行状态考虑在内。
最后，人员活动是室内气流和污染物扩散的重要因素之一。
人类的呼吸、语音和活动均会产生污染物，如CO2、PM2.5等。
另外，人员活动也会产生气流，从而影响室内气流的流动方向和速度。
因此，对于不同的人员活动场景，需要进行气流和污染物扩散模拟，以确定适当的气流参数和空气净化方案。
总之，在中央空调系统中进行污染物扩散的模拟研究具有重要的应用价值。
通过模拟不同气流、污染物扩散、人员活动等因素对室内环境的影响，可以为设计合理的空气调节系统和净化方案提供重要参考。
利用扩散和相对运动原理除霾的初步试验研究
利用扩散和相对运动原理除霾的初步试验研究王连泽㊀牛洪涛㊀彭宁宁㊀沈㊀熊（清华大学工程力学系，北京１０００８４）摘要：通过试验验证了细微颗粒存在较强的浓度梯度扩散现象，及净化设备向污染空气的相对运动可以更快速净化污染空气㊂首先在实验室中通过发烟模拟重度雾霾环境，净化装置由金属丝网和特殊极线按常规电除尘器的布置方式组成㊂装置固定时，房间颗粒物浓度降至５０％时，约需２ ８ｍｉｎ，而降至２０％以及恢复到发烟前初始状态，则分别需要约８ｍｉｎ和１６ｍｉｎ㊂装置移动时，房间颗粒物浓度降至５０％时，约需２０ｓ；距离净化装置１，３，６ｍ处的浓度测量值很接近，浓度梯度在实验工况最大为１５μｇ／（ｍ３㊃ｍ）㊂距离净化装置１，３，６ｍ３个位置中，１ｍ处颗粒迁移速度最大，从约０ ０２ｍ／ｓ增大到约０ ０７ｍ／ｓ㊂户外实验净化装置由ＲＳ芒刺线和铁丝网简易拼凑而成，在距离其３ｍ位置，雾霾浓度双向平均可降低约２５ ５％㊂关键词：浓度梯度；扩散；相对运动；除霾ＤＯＩ：１０ １３２０５／ｊ．ｈｊｇｃ．２０１５１２０１６ＰＲＩＭＡＲＹＲＥＳＥＡＲＣＨＯＮＨＡＺＥＲＥＭＯＶＡＬＭＥＴＨＯＤＢＡＳＥＤＯＮＤＩＦＦＵＳＩＯＮＡＮＤＲＥＬＡＴＩＶＥＭＯＴＩＯＮＷａｎｇＬｉａｎｚｅ㊀ＮｉｕＨｏｎｇｔａｏ㊀ＰｅｎｇＮｉｎｇｎｉｎｇ㊀ＳｈｅｎＸｉｏｎｇ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｍｅｔｈｏｄｆｏｒｐｕｒｉｆｙｉｎｇｐｏｌｌｕｔｅｄａｉｒｉｎｌａｒｇｅｏｐｅｎｓｐａｃｅｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｖｅｒｉｆｉｅｄ，ｂａｓｅｄｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｇｒａｄｉｅｎｔｄｉｆｆｕｓｉｏｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｍｏｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｔｏｔｈｅｐｏｌｌｕｔｅｄａｉｒ．Ｉｎｔｈｅｉｎｄｏｏｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｓｅｖｅｒｅｈａｚｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｆｕｍｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓｏｆｍｅｔａｌｗｉｒｅａｎｄｇａｕｚｅ．Ｗｈｅｎｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓｆｉｘｅｄ，ｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｍａｔｔｅｒ（ＰＭ）ｉｎｔｈｅｌａｂｏｒａｔｏｒｙｔｏ５０％ｏｆｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｖａｌｕｅ，２ ８ｍｉｎｕｔｅｓｉｓｎｅｅｄｅｄ，ｗｈｉｌｅｔｏ２０％ｏｆｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｌｅｖｅｌ，８ａｎｄ１６ｍｉｎｕｔｅｓａｒｅｎｅｅｄｅｄ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｗｈｅｎｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓｍｏｖｅｄ，ｏｎｌｙ２０ｓｅｃｏｎｄｓｉｓｎｅｅｄｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｔｏ５０％．Ｉｎｏｕｔｄｏｏｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ａ２５ ５％ｃｕｔｄｏｗｎｏｆｈａｚｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｓｒｅａｃｈｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｇｒａｄｉｅｎｔ；ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ；ｒｅｌａｔｉｖｅｍｏｔｉｏｎ；ｈａｚｅｒｅｍｏｖａｌ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期：２０１５－０６－０３０㊀引㊀言雾霾的形成原因㊁成分分布㊁迁移特性及对环境和人类健康影响的研究一直吸引着众多科研工作者［１⁃８］㊂雾霾对人们健康的危害已越来越明晰，实用除霾技术已成亟需㊂首先，靠从源头上控制ＰＭ２ ５排放，对中国这样一个人口众多㊁污染源广泛且复杂多样的大国非常困难㊂其次，即使能对各种污染源都采取源头控制，解决雾霾问题也需要数十年时间㊂再有，因除尘技术效率顶点变缓的特点，为多捕集微量的ＰＭ２ ５而继续投入巨额资金，也有失科学性㊂以目前典型电厂系统为例，排放标准从５０ｍｇ／ｍ３降到２０ｍｇ／ｍ３需增加的投入与从初始约５０ｇ／ｍ３降到约５０ｍｇ／ｍ３相当，其效益降低了４００倍㊂而同样的投入，如果用于城市大气除霾，集中处理汽车尾气的颗粒㊁交通扬尘㊁施工扬尘㊁居民生活排烟，以及包含上述电厂排放的难以净化的工业粉尘等等，综合空气质量应该能得到更高效地改善㊂除霾研究吸引了国内外众多科研工作者的兴趣，但由于其本身的特殊性和难度，研究成果还很少㊂目前已提出的如公交车站空气净化装置㊁埋地线圈，空中喷液氮㊁液态二氧化碳㊁化学催化剂，雾炮㊁城市风道［９⁃１３］等方案，仅有少部分开始试用㊂另外，无论雾霾的成因及演化规律如何，从大气中清除颗粒物都是提升空气质量的最彻底途径㊂虽然同属从气体中分离固体颗粒，但大气除霾与工业除尘不同㊂首先，除尘系统颗粒物浓度时常高达约５０ｇ／ｍ３，而颗粒浓度为５００μｇ／ｍ３已达到重度雾霾水平，相差１０万倍㊂所以，大气除霾装置用于吸附雾霾颗粒的表面积和清灰频率相对小得多，由此，可以利用金属丝网或粗网孔碳纤维布做为吸附表面以减小风阻㊁降低成本等㊂本文提出了２种除霾方式，并在改造的密闭实验室和河北沧州某户外实验场地对其原理进行了验证，并认为该除霾方式具有一定的可行性：１）借助扩散原理除霾：如同分子热运动造成的分子扩散一样，粒径极其微小的雾霾颗粒的布朗运动也存在着较强的浓度梯度扩散㊂当靠近净化装置的雾霾颗粒被除去后，远处的雾霾颗粒会在浓度梯度作用下，迁移到净化装置，进而被除去㊂因此，在特定区域的合适位置设置净化装置，如建筑物楼顶结合灯箱广告牌等设置净化装置，建筑物外墙设置净化装置等，这些净化装置（简称 除霾屏风 ）有望对降低大气颗粒物质量浓度起到明显作用㊂有风或存在温度梯度时，空气的流动会强化其净化效果㊂基于主导风向设置的除霾屏风，相当于利用风力将污染空气输送到了净化设备㊂２）利用相对运动原理除霾：污染空气通过收集㊁加压㊁输送等环节到净化设备，是通常的污染空气净化过程㊂但这种传统方式对敞开式大空间除霾难以适用㊂试想把电除尘器去掉外壳，仅保留半个电场，将沉重的碳钢框架改为轻便的碳纤维型材框架，将碳钢收尘极板改为轻质粗网孔碳纤维布，便可形成一个庞大的除霾网㊂其靠飞艇悬挂遥控飞行或气球悬挂㊁下方机动车拖曳行进等方式，均可开始工作㊂但无论哪种除霾方式，都难以把坚直方向３５０ｍ高，水平几乎没有边界的雾霾全部涵盖㊂但与众多颗粒物的散发 源 对应，除霾装置形成的颗粒物的 汇 是能捕集细微颗粒的㊂只要其布点合理㊁容量足够，就能创造出一条类似 浴盆曲线 的浓度分布曲线，使被关心区域处于 盆底 ㊂那么，即使在重度雾霾天气，除霾装置也能形成一个位置由近及远，浓度由低及高的作用区域，空气质量仍属于优良的范围㊂至于除霾网没有扫掠到的空间，同样是扩散作用，也能使附近（下方）未被扫掠空间的颗粒物质量浓度降低，改善地面呼吸带的空气质量㊂１㊀试验部分１ １㊀实验室研究实验房间面积７ｍˑ７ｍ，高度为３ｍ㊂试验流程如图１所示㊂图１㊀试验流程示意Ｆｉｇ．１㊀Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｒｏｃｅｄｕｒｅ试验模型（净化装置）厚度为４００ｍｍ㊁宽度为１０００ｍｍ㊁高度为２０００ｍｍ，上下端面用绝缘板固定５根放电极线，其他４个表面固定铁丝网㊂该装置极线长度１０ｍ，收尘铁丝网面积５ ６ｍ２㊂净化装置占房间面积０ ８２％，占房间容积为０ ５４％㊂烟雾用燃烧消防演练用的烟饼产生，烟饼由锯末㊁硫磺㊁助燃剂㊁粘接剂等组成㊂供电装置为冶金部安全环保装备研究所生产的ＣＫ１００／１０型高压硅整流器控制器；以Ｑ４⁃Ｖ型静电电压表校验电压，以ＤＹ２１０系列四位半数字万用表校验电流㊂颗粒信息检测分别用ＰＤＳＡ⁃２型相位多普勒粒径测速仪（北京飞骊佳科技服务有限公司）系统测量表征颗粒物浓度的光电流信号和颗粒迁移速度，用ＡＱＭ⁃８０００型ＰＭ２ ５监测仪（北京聚道合盛科技有限公司）测量颗粒浓度，以更深入分析试验数据并使两种测量仪器相互校验㊂１ ２㊀户外除霾研究部分试验场地为四周厂房围成的１个Ｌ型小院，试验模型（净化装置）及测量仪器与周围建筑物的相对关系如图２所示㊂图２㊀户外试验相对位置示意Ｆｉｇ．２㊀Ｏｕｔｄｏｏｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌａｙｏｕｔ净化装置用ＲＳ芒刺线和两种铁丝网拼凑而成，阴极线悬挂在上方铁丝上，铁丝通过塑料板绝缘固定在两侧墙壁上，接地阳极板用的铁丝网固定在地面上㊂阴极线长１２０ｍ㊁铁丝网面积３８ｍ２㊂供电装置为ＨＥＰ８０００超高频高压静电电源（北京国电龙富科技有限公司）㊂ＰＭ２ ５监测仪器布置在净化装置两侧，间距各３ｍ㊂２㊀结果及分析２ １㊀静止空间除霾效果将净化装置放置在房间中央，ＰＤＳＡ⁃２系统放置在距离净化装置３ｍ的房间一端㊂在接近房间中央燃烧一块烟饼，关闭所有已进行过密封处理的门窗，待烟雾均匀扩散在整个房间后等待３０ｍｉｎ以上㊂使得无论是从视觉效果还是从光电流信号，在确信不启动净化装置，不开启门窗通风等情况下，烟雾基本等浓度弥散在实验房间后，启动净化装置，并定义此时时间为０㊂净化装置上施加电压５３ｋＶ，此时电流约８ｍＡ，装置启动前与启动后的第３，６，１０ｍｉｎ时房间灰霾外观对比照片见图３㊂ａ 净化装置启动前；ｂ 启动后３ｍｉｎ；ｃ 启动后６ｍｉｎ；ｄ 启动后１０ｍｉｎ㊂图３㊀净化装置启动前后视觉对比Ｆｉｇ．３㊀Ｔｈｅｃｏｎｔｒａｓｔｏｆｖｉｓｕａｌｓｅｎｓｅｏｆｔｈｅｉｎｄｏｏｒａｉｒｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｄｅｖｉｃｅｓｔａｒｔｕｐ㊀㊀光电流值随时间的变化情况如表１所示㊂表１㊀净化装置固定时光电流值随时间的变化Ｔａｂｌｅ１㊀Ｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｌｉｇｈｔｃｕｒｒｅｎｔｗｉｔｈｔｉｍｅｗｈｉｌｅｍｏｄｅｌｆｉｘｅｄ时间／ｍｉｎ－１０１２３４５６７８９１０１１１２１３１４１５１６光电流值／μＡ６１１０９１７２５２４１３３２９２６２２１９１７１４１２１０８７６㊀㊀注：时刻 ０ 为净化装置启动时刻， －１ 代表发烟前的数据㊂㊀㊀从表１可知：与净化装置有一定距离的测量仪器处颗粒物浓度随时间降低㊂颗粒物浓度降低至原浓度５０％时约需２ ８ｍｉｎ，降低至２０％时约需８ｍｉｎ，降低至发烟前初始状态约需１６ｍｉｎ㊂由此可以推论，原始浓度越低，达到相同净化效率的时间就越长㊂根据上述实验结果，完全密闭房间远离净化设备的空气中颗粒物浓度降低可以判定，细微颗粒存在较强的扩散能力㊂空间中细微颗粒浓度趋向于均等的趋势，可以使一个净化设备清洁远距离的污染空气㊂另一方面，从净化装置的工作过程可以知道，如果用于有一定风速的环境，造成颗粒物的湍流输运，其净化效果将会更好㊂２ ２㊀净化装置相对运动的除霾效果用与２ １相同的实验方法，在启动的同时以约１ｍ／ｓ的速度移动净化装置，使净化装置在平面上扫掠到整个房间，此过程耗时约２０ｓ时，颗粒物浓度降低至５０％㊂由此可以看出：装置与颗粒物直接接触时的净化能力要远高于被动等待颗粒物扩散过来再净化的能力㊂２ ３㊀浓度梯度的测量为修正ＰＭ２ ５浓度监测仪的固有系统误差，首先在距离净化装置３ｍ处集中布置３台，根据它们的测量结果计算出每台仪器的修正系数㊂然后将净化装置放置在房间最远端，在距离其１，３，６ｍ的位置分别布署这３台ＰＭ２ ５浓度监测仪㊂将各台仪器的测量值修正后，分别计算两两之间的浓度差值，并根据相对距离不同进行了加权平均的浓度梯度值，然后再计算相对浓度数据段，如５０００ ６０００μｇ／ｍ３的浓度梯度平均值㊂并根据均方根误差，剔除了数据中的坏点㊂图４给出了实验期间随着房间颗粒浓度降低，浓度梯度的变化情况㊂由此可见：颗粒物浓度梯度的分布情况与预先估计基本吻合，流场颗粒浓度高时，浓度梯度就大㊂图４中的浓度梯度数据，只是在该净化效率下由该组数据计算所得，不同实验工况㊁净化效率下，浓度梯度的数值将不同㊂实验工况下，１，３，６ｍ处的浓度测量值很接近，因此浓度梯度并不大㊂在流场中颗粒物浓度最高阶段为６０００ ７０００μｇ／ｍ３，浓度梯度约为１５μｇ／（ｍ３㊃ｍ）㊂Ң 颗粒浓度平均值； ʏ 浓度梯度加权平均值；浓度梯度加权平均值多项式似合曲线㊂图４㊀浓度梯度随浓度及时间的变化Ｆｉｇ．４㊀ＴｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｇｒａｄｉｅｎｔｏｆＰＭ２ ５ｗｉｔｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄｔｉｍｅ２ ４㊀颗粒迁移速度的测量基于分子动理论，在流场稳定且均匀时，颗粒受分子碰撞和相互碰撞作用，满足统计平衡，故颗粒运动和扩散都无规则㊂当流场中出现浓度梯度时颗粒间的碰撞不平衡，高浓度侧碰撞次数多，使得颗粒受到一个指向低浓度侧的作用力（合力），因而将产生一个指向低浓度方向的速度㊂图５展示了迁移速度的测量结果㊂Ң １ｍ处迁移速度； ʏ ３ｍ处迁移速度； һ ６ｍ处迁移速度；１ｍ处迁移速度时段平均值；⁃⁃⁃３ｍ处迁移速度时段平均值；－－－６ｍ处迁移速度时段平均值㊂图５㊀不同位置迁移速度随时间的变化Ｆｉｇ．５㊀ＴｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆＰＭ２ ５ｗｉｔｈｔｉｍｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎ㊀㊀实验是将ＰＤＳＡ⁃２系统分别放置在距净化装置１，３，６ｍ位置，重复进行３次实验，以判断颗粒汇流过程中颗粒迁移的速度及与距离的关系㊂图中将３次实验数据做了归一化处理，均平移到以００：００：００为起点，净化装置上电时间分２次，分别为第５ １５ｍｉｎ和第２５ ３５ｍｉｎ㊂由于所用ＰＤＳＡ⁃２系统的一维特性，净化装置启动前所测得的约０ ０２ｍ／ｓ的迁移速度实际上是布朗随机运动的速度㊂当净化装置启动后，颗粒才变成定向迁移㊂从实验过程可以发现：由于迁移速度量级很小，测量过程受干扰大，数值波动相对较大，甚至常常采集失败㊂但净化装置工作后，不同位置的迁移速度都有较明显增加，１，３，６ｍ处分别增大到约０ ０７，０ ０５，０ ０４ｍ／ｓ，证明了颗粒汇流的存在㊂至于净化装置停运后，颗粒迁移速度比先前停运时增大，估计原因是随着净化装置的运行，从其中运动到空间的离子数增多，使空间有更多的颗粒荷上了电荷，而荷电颗粒表现出了比中性颗粒更大的布朗运动速度㊂与浓度测量结果类似，从迁移速度测量结果也未发现不同位置的滞后时间明显不同的情况，同样说明颗粒浓度场与流体压力场具有同样的快速均衡的特性㊂２ ５㊀供电参数对实验结果的影响为检验实验装置净化效率与电场施加电压的关系，实验中变换了几种供电电压，分别测量颗粒物浓度随时间的变化㊂实验结果表明：该净化装置与常规静电除尘器一样，净化效率会随着施加电压的增高而增高㊂图６给出了５２ｋＶ和４３ｋＶ时，３台仪器浓度测量平均值的比较，图中净化装置启动时刻是１０：１０：５５㊂图６㊀不同施加电压对净化效率的影响Ｆｉｇ．６㊀ＴｈｅｃｈａｎｇｅｏｆＰＭ２ ５ｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｔａｇｅ颗粒迁移速度与净化效率一样，也表现出随电压㊀㊀增加而增加的趋势，如图７所示㊂图７㊀不同施加电压对迁移速度的影响Ｆｉｇ．７㊀ＴｈｅｃｈａｎｇｅｏｆＰＭ２ ５ｖｅｌｏｃｉｔｙｗｉｔｈｔｉｍｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｔａｇｅ迁移速度依然表现出很强的波动，但随电压的变化趋势很明显㊂２ ６㊀户外实验ＰＭ２ ５监测数据随时间的变化由于现场条件限制，并未取得不同方位㊁距离㊁风向和风速下的系统测试数据㊂另外，由于场地的特殊性，实验期间实验场地一直有间歇㊁不定向的０ ２ ３ｍ／ｓ的风力㊂净化装置启动时，电场施加了６３ ７１ｋＶ的直流高压㊂不同时间段测量数据变化趋势基本相同，两侧仪器所测数据基本相同㊂图８给出了２０１４年１０月２３日８：３４：２４ １０：３７：５８期间一侧ＰＭ２ ５监测仪所测数据㊂Ә 灰霾浓度； һ 时段平均㊂图８㊀户外实验期间净化装置启停期间ＰＭ２ ５浓度监测数据Ｆｉｇ．８㊀ＴｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｏｕｔｄｏｏｒＰＭ２ ５㊀㊀由图８可以看出：净化装置启动后，测量点的ＰＭ２ ５浓度明显降低，停运后ＰＭ２ ５浓度再次升高㊂净化装置停运期间，ＰＭ２ ５数据虽有波动，但波动幅度很小，这与一定区域短时间内大气雾霾浓度基本稳定相符合㊂净化装置启动后，ＰＭ２ ５数据波动很大，这可能是因为实验场地风向不定造成的㊂但从装置启动期间，波动的最大数值依然小于装置停运期间的最小数值可以判断，净化装置在一定风速范围，一定距离范围内，对下风侧空气有一定的净化能力，这也证明了细微颗粒具有较强的浓度梯度扩散能力㊂图８同时给出了净化装置启动与停止期间的ＰＭ２ ５浓度平均值，该平均值是无风㊁顺风和逆风双向状态的平均值，４次启停期间ＰＭ２ ５的降幅平均值约为２５ ５％（不计每次切换的前后各１ｍｉｎ）㊂实际除霾操作时，净化装置放置在上风侧，如此近距离的下㊀㊀（下转第８３页）。
空气中PM2.5的演变扩散模型及预测分析
1 演变扩散模型建立
本文结合PM2.5在大气中的扩散演变特征,并假设污染物只进 行物理运动,不进行化学和生物变化,大气中干空气和水分均匀,无 其他污染源干扰。 由此建立数学模型: 在高斯扩散模式中,污染物迁移、 转化的一维输送模型方程为:
ux c 2c 2c ( y y y ) 2 ( Z Z Z ) 2 x y z
PM2.5来源广泛,成因复杂,包括自然过程和人为排放过程,主 要是人为排放。 而PM2.5的成因及时空分布、 演变等具有一定的规 律,通过对相关数据及相关资料的分析建立的西安地区内PM2.5的 发生和演变(扩散与衰减等)规律的数学模型,合理考虑风力、 湿度等 天气和季节因素的影响的研究成果, 针对该地区某监测点处的 PM2.5的浓度突然增至数倍,且延续数小时,建立针对这种突发情 形的污染扩散预测,对突发情况的PM2.5治理提供一定的参考。 通 过对西安市公布的监测数据,对模型及持续雾霾天气的原因进行分 析。
(3)
污染过程中,随着PM2.5质量浓度的升高,由于受大尺度的天 气背景影响,近地面的小风静风、 高湿等气象条件不利于PM2.5的 扩散;混合层高度与温度层等对PM2.5的演变存在重要影响,当近 地面存在逆温和等温层时,大气稳定不利于垂向扩散。
2 突发情形的污染扩散预测模型
假设PM2.5浓度值符合正态分布,某一监测点处的PM2.5的浓 度突然增至数倍建立高斯浓度分布模型:
理论研究Biblioteka 生物技术 世界空气中 PM2.5 的演变扩散模型及预测分析
穆剑桥
(山东科技大学 电气与自动化工程学院 山东青岛 266590)
摘要:本文根据PM2.5的成因及时空分布、 演变等特性,对其进行分析建模,依据特突发情形下的污染的扩散特性进行预测,并建立模型。 并针对 数学模型理论联系实际,进行相关的分析和总结。 关键词:PM2.5 演变 扩散 预测 模型 中图分类号:X513 O242.1 文献标识码:A 文章编号:1674-2060(2015)10-0270-01
空气污染物扩散机理分析
空气污染物扩散机理分析
空气污染物扩散机理分析
空气污染已经成为一个全球性的问题，严重影响人们的健康和环境的质量。
了解空气污染物的扩散机理对于制定有效的污染防治措施至关重要。
首先，空气污染物的扩散是由气象条件和污染物本身的特性共同决定的。
气象条件包括风速、风向、湍流强度和大气稳定度等。
风速和风向是最重要的因素，它们决定了污染物从源头传输到其他地区的路径。
湍流强度决定了空气中的混合程度，较高的湍流强度有助于将污染物快速稀释和分散。
大气稳定度是指空气的垂直运动性质，不稳定的大气条件会导致污染物上升到大气中层，而稳定的大气条件则会使污染物停留在地面附近。
其次，污染物的物理和化学特性也会影响其扩散。
物理特性包括污染物的粒径、密度和挥发性等。
较小的粒径会使污染物更容易悬浮在空气中，并且具有较长的传输距离。
挥发性污染物会以气态形式存在于大气中，因此更容易扩散。
化学特性包括污染物的反应活性和稳定性。
反应活性较高的污染物会与大气中的其他组分发生化学反应，从而影响其扩散行为。
最后，地形和建筑物也会对空气污染物的扩散产生影响。
地形的高低起伏会影响地面风速的分布，从而改变污染物的传输路径。
建筑物会阻挡风的传播，并产生垂直和水平的湍流，使污染物在其周围积聚。
综上所述，了解空气污染物的扩散机理对于制定有效的污染防治措施至关重要。
风速、风向、湍流强度和大气稳定度等气象条件，污染物的物理和化学特性，以及地形和建筑物等因素都会影响空气污染物的扩散行为。
只有全面了解这些因素，才能更好地预测和控制空气污染物的扩散过程，从而保护人类健康和环境的质量。
大气污染物扩散的理论和试验研究
3、大气污染物的控制措施和未 来展望
3、大气污染物的控制措施和未来展望
为了减轻大气污染物的危害，需要采取一系列控制措施，包括减少污染物排 放、加强污染物治理、优化能源结构等。未来，随着科技的不断进步和环保政策 的完善，大气污染物的控制措施将更加严格，主要表现在以下几个方面：
3、大气污染物的控制措施和未来展望
2、大气污染物扩散的影响因素
2、大气污染物扩散的影响因素
通过对比分析监测数据和气象资料，我们发现风向、风速、温度和湿度对阳 泉市区大气污染物扩散具有显著影响。其中，风向和风速的影响最为显著，当风 向与污染源方向一致时，污染物扩散范围更广；而当风速增大时，污染物扩散速 度更快。此外，温度和湿度的变化也会影响大气污染物的扩散。
四、结论与展望
然而，数值模拟也存在一定的局限性和不确定性。例如，模型的参数选择和 气象数据的准确性都会对模拟结果产生影响。此外，由于实际环境的复杂性和不 确定性，数值模拟结果可能无法完全反映实际情况。
四、结论与展望
展望未来，钢铁工业大气污染物扩散数值模拟研究可以从以下几个方面展开： 1、加强多种因素的综合考虑。除了气象和地形因素，还需要考虑钢铁厂的排 放特征、生产工艺、能源结构等多方面因素对污染物扩散的影响。
3、大气污染物扩散的影响因素和规律
理论分析和结论根据试验结果，可以对大气污染物扩散的理论进行分析和验 证。通过将试验数据与理论模型进行比较，可以评估模型的准确性和可靠性。同 时，还可以进一步分析不同因素对大气污染物扩散的影响机制和程度，为制定更 加有效的污染防治措施提供理论支持。
3、大气污染物扩散的影响因素和规律
三、模拟结果分析
3、地形因素对污染物扩散也有一定影响。对于复杂地形，污染物可能在山体 背面等地区聚集，形成“污染窝”。因此，在钢铁厂的选址和布局过程中，应尽 量避免在山体背面或低洼地带建设工厂。
大气环境中空气动力学与污染扩散的关联性研究
大气环境中空气动力学与污染扩散的关联性研究近年来，随着城市化进程的加快和工业化的快速发展，大气污染问题成为了人们关注的焦点。
大气环境中的空气动力学与污染扩散之间的关联性研究，对于我们制定科学合理的环境保护措施具有重要意义。
在大气环境中，气体污染物的扩散主要受到风向、风速等空气动力学参数的影响。
风是大气污染扩散的推动因素之一，它的方向和速度直接影响了污染物的传播路径和速度。
研究表明，风向会影响污染物的传输距离以及不同地点之间的浓度差异。
其中，风向正好与地形分布相一致时，污染物扩散速度会较慢，而当二者方向相背时，污染物则会快速扩散到远距离的区域。
除了风向之外，风速也是影响大气污染扩散的重要因素。
风速的大小将决定污染物在大气中的传输速度。
在风速较大的情况下，污染物可迅速扩散到较远距离，降低了局部污染的风险。
而在风速较小的情况下，污染物容易积聚在特定区域，导致污染局部严重。
因此，了解和预测风速变化对于污染控制具有重要意义。
大气环境中的温度和湿度也会对空气动力学和污染扩散产生影响。
温度的变化会引起大气运动的变化，进而影响大气中污染物的传播。
湿度的变化则与大气污染的形成和分布密切相关。
湿度较高的情况下，污染物容易与水蒸气发生反应，形成含有颗粒物的雾霾。
温湿度因素的研究有助于我们了解大气污染的成因及其扩散规律，为环境治理提供科学依据。
此外，大气环境中的地形、建筑物、植被等因素也会对污染物的扩散和分布产生影响。
地形的起伏会导致气流的变化，进而影响污染物的传播路径和范围。
建筑物的高度和布局会妨碍污染物的扩散，增加了局部污染的风险。
而植被则具有吸附和过滤污染物的功能，有助于改善大气质量。
因此，综合考虑这些因素对于评估污染扩散的影响至关重要。
综上所述，大气环境中的空气动力学与污染扩散之间存在着紧密的关联性。
风向、风速、温湿度以及地形、建筑物和植被等环境因素都会对污染物的传播和分布产生重要影响。
通过对这些因素的深入研究，可以更好地了解和预测大气污染的发展趋势，为环境治理和保护提供科学依据。
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倾斜烟云模式公式
2 ( H x / u ) vg Q y e c( x, y, o, H e) exp( ) exp 2 2 u y z 2 2 2 y z
2
式中：
c( x, y, o, H e)
Q
He
— 下风向任一点的地面浓度(g／m3)；
然而，如何对可沉降粒子在静风条件下扩散的地面浓度 进行评价和预测，目前尚是空白，张江山在《静风条件下 倾斜烟云最大地面浓度距离计算方法研究》（《环境工程》 1994 年第12期 ）中 提出对倾斜烟云模式进行数学变换处 理，来计算静风条件下的可沉降粒子扩散的地面浓度分布， 笔者认为这种变换缺乏内在依据。 鉴于许多地区静风频率不低，静风条件下大气污染预测不 容忽视，本文将建立一个适合于静风条件下尘粒烟云扩散 的正态分布地面浓度模式，并确定模式的扩散参数表达式， 它可以简捷地预测孤立点源尘粒的地面浓度及扩散范围。
He=H+dH---烟囱的有效高度;
因此,我们可以建立以下正态分布的地面浓度模式， 其地面浓度分布函数可表达为
静风条件下尘粒扩散模式的 建立和应用
Study On Concentration Mode Of Dust Particle Diffusion Under Calm Condition
王丽萍
中国矿业大学
本课题研究目的和意义 排放源造成的污染物最大地面浓度值以及最大地面 浓度出现点距污染源的距离是大气环境影响评价与烟囱 高度设计中我们最为关注的问题。通常，尘粒扩散浓度 估算使用倾斜烟云模式，但是倾斜烟云模式不能用于静 风条件下尘粒地面浓度的预测与评价。本文旨在建立一 种新的扩散模式用于静风条件下尘粒地面浓度的预测和 评价。
蘑菇烟云地面浓度扩散模式的建立
（1） 静风条件和重力沉降对尘粒扩散的影响
布里吉斯等[3]指出： “静风的定义是=0.5m／s”，所以处理静风问题时， 我们可假定其平均风速为0.3～0.5m／s。 静风条件下，风向紊乱，所以平均风速的方向是随机变化不定的。当静风 条件持续一段时间后，风向在整个水平面上统计平均值结果可将平均风速的 值视为零。因此，从污染源排放出的污染物，是向上和向四周缓缓扩散的， 污染物在水平面上的扩散已无明显的方向性。 粒径大于10μm的粒子存在着明显的重力沉降作用，粒子在大气中的沉降 速度可用斯托克斯公式计算。此外，地面对粒径=10μm～20μm的粒子也不 能发生全反射及部分反射，粒径＞20μm的粒子一旦沉降到地面将滞留在地 面. 所以，可沉降粒子在静风条件下的扩散是在向上扩散和向四周均匀缓缓扩散 的同时发生下沉。因此，静风条件和高架连续点源的有效源高一定的情况下， 可沉降粒子的扩散范围已主要取决于尘粒自身沉降速度的大小。
（2）根据公式(1)计算下风向任意点的地面浓度时，计算 值是单位体积上的质量沉积率(g／m3)，而大气环境常规监 测指标降尘值为单位面积、单位时间的质量沉积率(t／km2. 月)，二者量纲上不能统一，需要对计算式的浓度项进行适 当变换成单位面积、单位时间的质量沉积率，使计算值与 测定值之间具有可比性。
建设项目
本课题研究目的和意义 控抑措施
影响因子（SO2、噪声、资源利用方式改变）
环境介质（水、大气、土地） 受体（人、动植物、材料、产业）
剂量—反应关系 传输、变化
环境影响（健康、生产、生态环境服务）
价值评估技术
价值（货币化）
倾斜烟云模式应用于可沉降粒子浓度预测的局限分析
在大气环境影响评价及烟囱高度设计中，往往需要计算 排放源造成的污染物最大地面浓度以及最大地面浓度出现点 距污染源的距离。作为主要大气污染源电厂、水泥厂、烧结 厂的厂区及周围地区的污染主要是降尘所造成的，如何对可 沉降污染物粒子的地面浓度进行评价和预测呢？高架孤立点 源的可沉降粒子的地面浓度分布预测，常见的方法是根据如 下的“倾斜烟云模式”计算： 2 2 (H e xvg / u) Q y c( x, y, o, H e) exp( ) exp 2 2 u y z 2 2 2 z y
—— 污染源源强(g／s); — 有效源高(m)；
vg
— 粒子平均沉降速度(m／s)；
u — 平均风速(m／s)； y z — y向、z向的扩散参数(m)。
倾斜烟云模式在使用过程中的问题
（1 ）该公式仅适用于有风 (＞1m／s)或小风（ 0.5m／s-1m ／s）的气象条件，即存在一稳定的平流输送作用，此时可 沉降粒子的扩散呈现倾斜烟云。即该公式的使用条件是大 气中存在一稳定的主导风(即x向为主导风向), 它不能用来 预测静风条件下可沉降粒子的地面浓度 分布为：水平面上以污染源为中心的同心圆上均匀分布，且 必在中心点位置浓度值为最大，沿水平任何方向呈现为对称 于烟囱(高架孤立点源)的正态分布。静风条件下高架连续点 源尘粒扩散为蘑菇烟云扩散如图1所示:
H---烟囱的几何高度 ;
dH---烟云的抬升高度 ; X---烟云的扩散半径
（2） 正态分布假定的蘑菇烟云扩散模式的建立
基于上述静风条件和重力沉降两种作用对高架连续点 源尘粒扩散的影响分析，我们可建立以下论点：
由于风向的随机不定性和重力沉降作用，高架连续点源的可沉降尘 粒烟云扩散形态为向上向四周均匀扩散的同时发生下沉，高架孤立点 源的尘粒烟云扩散形态如蘑菇烟云。 静风条件下尘粒在铅直向扩散，可以认为主要是由重力沉降起支配 作用，颗粒沉降到地面将稳定地滞留于地面。排放源的有效高度为烟 云扩散的最高点。 由于风向随机变化不定性，在水平面上任一瞬间每一尘粒可随意左 右、前后摆动。静风持续一段时间后，虽然每一粒子在水平面上位移 方向大小不同，但是许多粒子位移的集合却趋于一个稳定的统计分布 值。因此污染物粒子在以污染源为中心的水平 360°内，与污染源等水 平距离X处出现频率相等，并且在中心点(污染源所在点)的出现频率为 最大。