建筑物结构变化对大气污染影响的试验研究.pdf

建筑物结构变化对大气污染影响的试验研究 ＊ 韩明山 梅 宁 中国海洋大学工程学院, 青岛 266071 陈丽飞 上海姜山机械有限公司, 上海 200233 摘要 通过风洞实验对大气污染物扩散特性进行了模拟试验研究, 重点讨论了建筑物结构形式变化对周围环境污染 浓度的影响, 在此基础上对影响污染浓度的各个要素进行了分析与讨论, 得到了大气污染物在复杂结构建筑物之间扩 散的一般规律。 关键词 大气污染 大气扩散 建筑物结构 风洞 模拟试验 ＊青岛市十五科技攻关重点项目, 青岛市科技发展局资助 1 引言 研究一定区域内的大气污染传输和扩散规律 ,国 内外有很多学者在这些方面进行了深入的研究 [ 1,2] , 但多数学者 [ 3,4] 注重于对扩散模式和气象预防方面的 研究 ,较少涉及到研究一定条件下建筑物结构形式改 变对污染扩散的影响 ,本研究通过风洞模拟试验就此 问题进行了初步探讨 。 2 试验设备与模型简介 试验研究的核心设备是一个直流吸式环境风洞, 由以下 5 个方面组成 1 洞体 , 2 动力系统, 3 控 制系统, 4 试验模型 , 5 采样,测试和控制仪表 。 风洞洞体分为进口段, 试验段和风扇段 ,进口段 包括收缩段和前端用于整理来流方向的铁丝网,在试 验过程中, 实验模型置于试验段中部, 空气从右至左 被吸入管道,通过设置不同的边界条件和参数来模拟 实际的大气污染物扩散状况。 3 无量纲数分析 3. 1 雷诺数 Re 依 据Re无 关 性 理 论 Reyonoldsnumber independence , 随 Re 的增大 ,湍流能谱分布中只有高 频端 即较小尺度的湍流旋涡 受到影响 ,又因较大尺 度的湍流旋涡控制着边界层中的动量传输和质量传 输,故试验中只需保证流动的 Re 足够大 [ 5] 即大于某 一临界值 。在本实验中 ,实验模型放置在风洞入口 端2 m 处 ,试验段底部表面的等效沙粒粗糙度为 ks 10 mm ,则相对粗糙度的数值为 x ks200,由此可查 出 [ 6] 在本实验特定条件下的临界 Re 约为 5 10 5 , 取 运动学粘度系数 ν 1. 4 10 -5m2 s, 则可计算得到最 低风速为 U 3. 5 m s。此实验风速可以达到, 因此 Re 相似可以保证 。 3. 2 里查森数 Ri 模拟 Ri 即模拟低层大气的温度廓线,这对温度控 制系统的要求较高,本实验模型缩小比例为 200, 假设 实际大气温差为10 K,如不考虑 Re 相似,为满足 Ri 相 似,则要求 ΔT模型 200ΔT原型,这就要求实验中的温差 达到2 000 K,因此要严格保证 Ri 相似无法实现 ,另一 方面,模拟 Re 相似要求实验风速越大越好 ,而模拟 Ri 相似则要求实验风速越小越好 ,这两方面也是互相冲 突的,而模拟 Re 相似更能够反映大气污染扩散的本质 规律,因此试验中以 Re 为首要的相似参数,对 Ri 只做 部分模拟,但反映的本质规律并没有改变。 3. 3 普朗特数 Pr Pr 代表动量传输速率与热量传输速率之比, 由 于 Pr 是流体的性质而非流动的特性, 而本试验又是 以空气为实验介质, 因此满足 Pr 相似条件 。 3. 4 罗斯贝数 Ro Ro 代表惯性力与地球自转造成的科氏力之比, 在大气边界层中 ,科氏力使水平风速矢量偏离水平气 压梯度力的方向 ,并随高度的增加作顺时针转动, 依 据帕斯奎尔 [ 7] Pasquill 的计算,当烟羽水平传播的距 离 5 km 时 , 可以忽略科氏力的影响而不会产生明 显的误差, 由于本实验模拟烟羽的传播距离较短, 因 此对于本实验模拟的烟羽来说 ,可以不考虑 Ro 的影 响,故 Ro 相似条件可以满足。 3. 5 埃科特数 Ec Ec 是能量耗散与对流传输的比值, 在空气中可 表示为 Ec 0. 4Ma 2 T0 ΔT 。在环境风洞中 , Ec 一般 比在大气中的数值小一个数量级,而且实际大气中的 Ec 也是 1 的,因此在两者都很小的情况下 ,可以不 73 环 境 工 程 2005年 6 月第23 卷第3 期 考虑 Ec 相似的要求 。 4 不同建筑物结构形式对污染扩散的影响 在保持风速恒定, 污染源排放条件不变的情况 下,对图 1所示 3种不同建筑物结构 单位为 mm 形 式的污染浓度进行测量, 为便于分析浓度变化 ,将采 样点在风洞中的分布按照图 2所示进行了分类,按照 沿着来流的方向依次分为 A 、 B、C、D、 E 线 ,随着采样 点与来流距离的增加 ,依次分为面 1、 2、 3、 4。 图 1 3 种不同建筑物结构图 图 2 采样点分布图 图3 建筑物结构形式对污染扩散的影响 依据帕斯奎尔 Pasquill [ 8] 等人的研究可以知道 对于给定了几何形状和布局的建筑物, 只要满足一定 的流体动力学条件, 将浓度归一化后揭示出来的浓度 场是普适的, 帕斯奎尔 Pasquill 采用的关系式 x KcQ uL 2在本试验中经修正可以得到归一化浓度为 c ＊ cuaL 2 QSTa TS 。 式中 c ＊ 归一化浓度; ua 大气风速; Ta 大气温度 ; QS 污染排放量 ; c 测量浓度 ; L 长度特征值; TS 烟气温度。 按照上述方法对测量数据进行处理, 可得到图 1 所示 3种基本建筑物之间的污染浓度分布规律 , 如 图3 所示。 从图中可见 , ① 位于建筑物上风区的污染 浓度受建筑物形式的改变变化较小 ,浓度分布大体呈 正态分布。 ② 在建筑物中段, 建筑物样式的改变对污 染浓度分布有较大影响, 从图 3 前 2 幅图中可以看 出,由于流场的改变 , 污染物扩散时偏向圆形建筑物 方向, 结果污染浓度极大值也相应有所偏移 ,而当规 则矩形建筑物互相之间起作用时,浓度分布并不总是 呈对称状态 ,从图 3可以看出浓度极大值偏向其中一 侧。同时也可以看出 ,在位于建筑物中段的上部和下 部污染浓度分布也有所不同, 在中段上部 ,污染浓度 先随距离增大而增大 ,在中段附近浓度达到极大值, 然后逐渐减小, 而在中段下部, 浓度极大值出现位置 与建筑物结构形式相关, 当建筑物为规则矩形时极大 值出现在建筑物模型一侧 ,当附近有圆形建筑时则浓 度极大值出现在圆形建筑物附近,当建筑物均为圆形 结构时,浓度极大值出现在中轴线附近。 ③ 在建筑物 下风区 ,流场形式已经被建筑物的影响所改变, 浓度 随横风向距离的变化不太明显 ,整个区域内浓度分布 相对比较均衡, 仅仅只是在建筑物结构都是圆形的情 况下浓度分布稍有起伏, 在中轴线附近浓度有些偏 大。 ④ 随着与污染源纵向距离的增加,各种建筑物形 式条件下的浓度都逐渐减小。 5 复杂建筑物结构条件下的污染浓度分布 复杂建筑物结构形式条件下的污染浓度分布,如 图4所示,建筑物下部为规则立方体 ,而上部则由弧形 74 环 境 工 程 2005年 6 月第23 卷第3 期 和矩形结合而成, 污染物扩散方向与弧面法向方向垂 直,与前面进行的试验类似 ,保持风速和污染源排放条 件为定常,采样方法和采样点与前面一致,通过试验得 到的复杂条件下大气污染扩散分布规律如图 5。 图 4 复杂建筑物结构图 图 5 复杂建筑物周围的污染浓度分布 1 面 1位于建筑物上风区 , 污染浓度分布受建 筑物的影响较小 ,浓度分布大体呈正态分布。 2 面2 和面 3 位于建筑物中部, 扩散浓度受建 筑物结构影响已不符合正态分布规律, 两者污染浓度 极大值都向弧面侧方向偏移, 其中面3 受建筑物结构 影响更加明显, 浓度变化幅度比较平缓 。离开横风向 距离愈远 ,浓度愈平缓。 3 扩散流场经建筑物调节后, 在下风区污染浓 度分布相对均匀 ,但浓度较上风区已有明显减小。 随着采样点与污染源距离 , 即纵向距离的增加, 污染浓度总体上呈逐步下降趋势, 但建筑物结构对污 染浓度分布的影响亦很明显 ,从图 5 b 看出 ① A 和 面E 位于建筑物外侧, 浓度随纵向距离逐渐减小, 由 于建筑物结构的不对称, 面 E 浓度减小较面 A 平缓。 ② C 面刚好与建筑物模型相交, 流场被建筑物改变, 浓度在下降的过程中有小幅波动, 但总体下降趋势更 为明显。 ③ B 面和 D面贴近模型建筑物, 其中 B 面浓 度在建筑物中部附近浓度值较为平稳, 而 D 面浓度 在建筑物中上部下降平缓 ,后部下降较快。 ④浓度场 经过模型建筑物整理后, 在离建筑物后部较远区域, 浓度值偏小并逐渐趋向稳定。 6 讨论与分析 通过上面的一系列风洞试验, 初步得出了建筑物 结构形式改变对大气污染浓度分布的影响规律, 由于 建筑物的存在引起流场的空气动力学畸变。这种畸变 场的总体特征是随着与建筑物的距离的增加而减小。 虽然复杂地形和建筑物结构对流动所产生的扰 动明显不同于“规则”的建筑物结构时的情形 ,但在宏 观上扰动的衰减还是表现出一致的变化规律 [ 9] ,复杂 地形和结构使得湍流强度和湍流尺度增加,对污染物 的扩散产生较大的影响, 一方面使得近场的扩散参数 显著增大。随着下风距离的增加浓度值逐渐趋近平 缓; 另一方面,由于其空间分布的不均匀性,也将影响 污染物烟流的运行轨迹。与此同时 ,近地层大气湍流 受地形和建筑物结构变化的影响也较大 。虽然风洞 模拟技术可以部分地模拟地形和建筑物结构变化对 流动和扩散的影响。为研究扩散规律带来了方便 ,但 要细致模拟复杂地形和边界条件上的热力学过程和 非定常过程还不太可能。因此 ,本研究所讨论的实验 结果也仅局限于中性条件下的风洞模拟实验结果 。 参考文献 1 日本通商产业省工业立地局编. 王茂新, 王瑞仙, 李国华译, 侯宏森 校. 大气污染浓度预测技术手册. 北京 气象出版社, 1992. 2 Ohba R, Okabayashi K, Okamota H. Prediction of Gas Diffusion in complicated Terrain By a Potential Flow Model. Atmospheric Environment, 1989. 23 1 71. 3 田超, 范相阁, 张文利,常江. 大气污染物 SO2扩散模式的建立及应 用. 河南农业大学学报, 2001. 3 234～ 238. 4 张武, 冯广泓, 张培群. 复杂地形上大气扩散规律的比较研究. 兰州 大学学报, 1997. 33 4 140～ 143. 5 宣捷著. 大气扩散的物理模拟. 北京 气象出版社, 2000. 6 Briggs, G. A. Diffusion estimates for small emissions, in U. S . National Oceanic and Atmospheric Administrator E. R. L. Report. 1973. 7 F. Pasquill and F . B. Smith Atmospheric Diffusion Third edition Ellis Horwood limited. 1983. 8 P. 帕斯奎尔, F. B. 史密斯著, 曲绍厚, 温玉璞, 周孝恒, 李世奎译, 叶 文虎, 张惜福校. 大气扩散, 北京 科学出版社, 1989. 9 姚仁太, 乔清党,郝宏伟, 郭占杰, 张茂栓. 田湾核电厂址大气弥放 风洞实验研究. 辐射防护, 2001. 3 106～ 114. 作者通讯处 韩明山 200233 上海市徐汇区田林路 192 号 龙尼柯 上海 仪器有限公司技术部 电话 021 64955137; 64858316-836 E -mail hms1321sohu. com 2004- 03-22 收稿 75 环 境 工 程 2005年 6 月第23 卷第3 期 INDOOR AIR BY CAPILLARY GAS CHROMATOGRAPHYGuo Yanan et al 60 Abstract The factors influencing the concentrationof total volatile organic compound TVOCinthe indoor air, whichwasmeasured by gas chromatography GC, were studied. By prolonging the sampling time, 10 L air could be taken according to the real measured flow. The sufficient convection between the indoor air and the outdoor air after longer time ventilation was beneficial to the diffusion of the harmful air from indoors to outdoors. And then when the room was closed, the concentration of TVOC in 1 hour could be accurately measured. The thermal desoprtion rate of the single component was affected by its molecule weight and polarity;and the thermal desoprtion rate decreased with desorption time. The measuring time could be shortened if the initial and final coulmn temperatures were changed from 50 to 70 ℃ and 250 to 230 ℃, respectively while the results remained unchanged. Keywords TVOC, gas chromatography, thermal adsorption and Tenax -TA tube STUDY OF ON -LINE SOFT MEASUREMENT OF RESPIRATORY RATE OF ACTIVATED SLUDGE BASED ON SBR Chen Jianbo et al 62 Abstract Respiratory rate is the main varibale in the process of activated sludge wastewater treatment. It directly reflects the activity of microorganism and degradation rate of organic matters during the process of aerobic biological treatment. Through studying the principles of measuring respriatory rate in activated sludge wastewater treatment, the soft measuring model of respriatory rate based on SBR is set up . In the end, the online value of microbial respiratory rate based on the experiment control plat is also obtained. Keywords respiratory rate, activated sludge, soft measuring, data fitting and simulink THE UATION OF SEWAGE TREATMENT BY AB FOR HEDONG SEWAGE TREATMENT FACTORY IN URUMQIHailiqimMaimaiti et al 65 Abstract The process of sewage treatment by AB in Hedong Sewage Treatment Factory in Urumqi and the characteristics of AB are recommended. The problems of operation are analyzed and a improving scheme for them is raised. Keywords sewage treatment, AB , aerobic and anaerobic EXPLORATION OF DETERMINATION OF PARTIAL HEAVY-METALS IN SOIL WITH DRY ASHING -ATOMIC ABSORPTION SPECTROPHOTOMETRYJia Haidong 67 Abstract The dry ash isused to treat the soil sampleswhenflame AAS is used to determine Cu, Zn, Pb etc in soil. The soil samples are heated up to 500 ℃ for digestion, and then extracted by acid. This has higher precision and accuracy, and is a fast one. Keywords soil, heavy metal, dry ashing digestion and atomic absorption spectrometry DEVELOPMENTOFIMMUNOASSAYFORSMALLMOLECULARENVIRONMENTAL POLLUTANTSYu Ruozhen et al 69 Abstract According to the present status of the immunoassay of small molecular environmental pollutants, it is introduced the principle, feature and the main steps of research and development of immunoassay. The assay ats, the design of hapten, synthesis of immunogen and preparation of antibody were presented. The new development and the application of the technology for environmental pollutants were reviewed. Keywords immunoassay , hapten and environmental pollutants THE EXPERIMENT STUDY ON EFFECT OF BUILDING STRUCTURE ON AIR POLLUTION Han Mingshan et al 73 Abstract This article has conducted the simulation research through the wind tunnel modeling test, studied the diffusion properties of air pollution under complicated environment, also discussed the effect of building structure s style change on the air pollution distribution, on the basis of that, analyzed the essential factorswhich influence the diffusion under the complicated environemnt, obtainedthe general rule of diffusion of air pollutants among complex construction structures. Keywords air pollution, atmosphere diffusion, building structure, wind tunnel and modeling test APPLICATION OF CONSTRUCTED RAPID INFILTRATION IN ACTUAL PROJECT Li Zhengyu et al 76 Abstract Combining project, this paper introduced the technology process and treatment effect of constructed rapid infiltration CRI system. The results indicated that except T -P CRI system had good treatment effect. When it treated domestic sewage, CODCrwas 5. 0 ～ 26. 0 mg L, SS was 1. 7～ 10. 0 mg L, NH3-N was 0. 30～ 2. 31 mg L. When it treated river sewage, CODCrwas8. 0～ 26. 0mg L, BOD5was 1. 0 ～ 6. 0 mg L, SS was 2. 0～ 6. 0 mg L, NH3-N was 0. 17～ 2. 54mg L. CRI system is worth popularizing as a new type of treating technology. Keywords constructed rapid infiltration, domestic sewage, river sewage and hydraulic loading 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23,No. 3, Jun. , 2005