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摘要針對通風除塵系統(tǒng)穩(wěn)定連續(xù)建立的計算微細顆料物上升高度模型中，采用氣流射流理論計算除塵系統(tǒng)排氣進入大氣的流場分布，再計算微細粒物在該流場中運動上升狀況，對等溫差和不等溫差進行了模擬計算。

關(guān)鍵詞微細顆粒物擴散模型上升高度除塵系統(tǒng)排放源

1前言

作為改善建筑環(huán)境的重要因素--建筑環(huán)境空氣品質(zhì)（BuildingEnvironmentAirQuality）愈來愈引起人們的重視，如何提供高質(zhì)量的潔凈空氣已成為21世紀人類生命科學的重要課題。工業(yè)爐窯、生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程氣體（煙氣）排放物的污染、交通工具排放物及對道路揚塵作用的污染、建筑施工環(huán)境污染、荒漠化引起的沙塵暴對自然環(huán)境污染等，都對工業(yè)與民用建筑環(huán)境供給空氣質(zhì)量帶來了新的問題。其中，微細顆料物PM（ParticleMatter）污染是空氣質(zhì)量控制技術(shù)研究的首要問題。

在大氣環(huán)境質(zhì)量標準（GB3095）、居住區(qū)大氣中可吸入顆粒衛(wèi)生標準（GB11667）、各類公共場所衛(wèi)生標準（BG9663～9673）、室內(nèi)空氣中可吸入顆粒物衛(wèi)生標準（GB17095）都明確提出了PM10（能穿過咽喉進入胸部呼吸道的可吸入顆粒物，上限粒徑30μm，質(zhì)量中位徑D50為10±1μm，幾何標準偏差σ=1.5±0.1的顆粒物）的控制指標（范圍0.15～0.25mg/m3），采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范（GBJ19）修訂也將提出要求室內(nèi)PM10的允許濃度≤0.15mg/m3。近年來國外加大了對呼吸性顆粒物RP（RespireParticles）微粒PM2.5（上限粒徑7μm，D50為2.5μm的顆粒物）的研究力度，反映出微?；蛴绕涫荘M2.5為代表的顆粒物對人體危害最大[1]。

工業(yè)通風除塵是工廠暖通空調(diào)設(shè)計的重要內(nèi)容，目前采用以顆粒物排放總量制定的排放標準評價塵源控制水平。盡管工業(yè)通風除塵系統(tǒng)排放達到國家標準，但是排放的顆粒物幾乎都是微細顆粒，它們長期懸浮在空氣中，尤其是在靜風條件下產(chǎn)生濃度積聚導致區(qū)域環(huán)境濃度超標。因此研究工業(yè)通風除塵系統(tǒng)排放源擴散規(guī)律，對建筑規(guī)劃、建筑環(huán)境空氣質(zhì)量控制技術(shù)十分重要。

由于顆粒物與有害氣體污染介質(zhì)不同，從排氣立筒中排放出來在大氣中擴散規(guī)律具有特殊性，本文重點研究穩(wěn)定連續(xù)排源顆粒物上升高度的計算。

2排氣抬升高度計算的簡要回顧

工業(yè)污染源排放立管氣體抬升高度H與排氣立管的幾何高度HS之和即為污染源的有效源高Hy，即Hy=HS+H。氣體抬升高度H是計算地面最大污染物濃度非常重要的參數(shù)。

產(chǎn)生氣體抬升高度的原因有兩個：一是排氣立管出口處的煙氣所具有的初始動力；二是由于排氣溫度高于周圍空氣溫度而產(chǎn)生的浮力。影響這兩種作用的因素歸結(jié)起來可分為排放因素和氣象因素兩類。排放因素有排氣立管出口的排氣速度VS和排氣溫度TS，以及排氣立管出口的內(nèi)徑d。氣象因素有平均風速，環(huán)境空氣溫度Ta，風速垂直梯度d/dz及大氣穩(wěn)定度等。目前還沒有一種排氣抬升公式考慮了所有這些因素，即使有這樣的理論公式，全部參數(shù)也不容易測得到，使其無法應(yīng)用。大多數(shù)煙氣抬升公式是半經(jīng)驗的，是在各自有限的觀測資料基礎(chǔ)上歸納出來的，所以往往局限性很大。對同一種情況，用不同的煙氣抬升公式計算，可能得到相差幾倍的結(jié)果[2]。

提交的計算公式是將氣相和固相作為混合體煙氣進行計算，未考慮顆粒體運行的遲滯性。這對于顆粒體計算存在誤差。所查文獻中關(guān)于對排氣中的顆粒物上升高度的計算方法比較少，而顆粒物的上升高度對分析顆粒物擴散落地濃度分布是一個很關(guān)鍵的參數(shù)。因此，有必要研究顆粒物從排氣立管排出后繼續(xù)上升高的計算方法。

3顆粒物上升高度計算模型

本文采用氣體淹沒射流的方法計算排氣立管出口氣相流場，在此基礎(chǔ)上建立顆粒體運動場分布，并確定顆粒體的最大上升高度。

本文采用圓斷面孔口氣體紊流射流流速的計算公式[3]，計算氣相射流起始段和主體段。排氣立管排放出的氣體的溫度與周圍環(huán)境大氣的溫度不同，采用溫差射流計算射流的溫度場的公式。

不考慮水平方向風速的影響和不同直徑顆粒物間相互影響，列出不同顆粒物在氣流中運動方程為

（1）

式中，阻力系數(shù)CD為

其中雷諾數(shù)

代入式（1）有：

（2）

500>Rep>1

（3）

對式（2）進行離散得：

（4）

由于左邊項有二次項出現(xiàn)，給求解帶來了困難，本文將對此項采取線性處理。即反此項中的up用上一點的速度up（i,j-1）代替。代入并整理得到

（5）

對式（3）求解，采用類似式（2）的方法可以得到

（6）

對（5）、（6）采用迭代法計算。求解以上兩式所用邊界條件為：j=1,up=(i,j)=u(i,j)=u0。

4計算例

4．1計算說明及結(jié)果

顆粒物真密度2000kg/m3，排氣立管的出口內(nèi)徑2m，氣體的出口速度15m/s，在等溫射流（排氣溫度T0與環(huán)境溫度TW相等，取20℃）動力粘性系數(shù)為μ為18.3×10-6Pa·s，在溫差射流（T0≠TW）中氣體的μ采用公式計算。計算結(jié)果匯總見圖1～3，表示顆粒物抬升高度與粒徑在不同條件下的關(guān)系。圖1為射流氣體的溫度不變（T0=150℃）時，環(huán)境溫度的逐漸升高，顆粒物在射流中心的上升高度情況。圖2為環(huán)境溫度不變（T0=20℃）時，射流氣體的溫度的逐漸升高，顆粒物在射流中心的上升高度情況。圖3為周圍環(huán)境溫度和射流氣體的溫度均在變化，但其溫度差保持不變，顆粒物在射流中心的上升高度情況。

圖1射流軸線上顆粒物上升高度與環(huán)境溫度

圖2射流軸線顆粒物上升高度與射流氣體出口溫度

4．2計算結(jié)果分析

（1）粒徑的影響

由圖可知，不同粒徑的顆粒物在隨著氣體上升到一定高度以后會停止上升，停止上升時的高度對不同粒度的顆粒物有很大的差別。細顆粒（10μm以下）上升的高度基本與氣體的上升高度近乎一致；粗顆粒（10μm以上）的上升高度則與其粒緊密相關(guān)，隨著粒徑的增大在高度上呈逐層減小的分布狀態(tài)。不同粒徑的顆粒物的徑向分布輪廓與射流斷面上氣流的速度分布相似，呈拋物球面。

（2）溫度的影響

由圖1可知，射流氣體的溫度不變（T0=150℃）時，環(huán)境溫度的逐漸升高，對細顆粒（10μm以下）在射流中心的上升高度影響不大，而粗顆粒（10μm以上）在射流中心的抬升高度略有增加。由圖2可知，射流氣體周圍環(huán)境的溫度保持不變，而射流氣體的出口溫度不斷升高時，各粒度的顆粒物在射流軸線上的抬升高度基本保持不變。由圖3可見，除細顆粒物（10μm以下）外，其他各粒度的顆粒物在射流中心處的抬升高度均隨著環(huán)境溫度及射流氣體溫度的升高而不斷增大。

圖3顆粒物在射流中心處上升高度與粒徑

5小結(jié)

從以上計算結(jié)果的比較分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）顆粒物的上升高度分布隨粒徑變化而不同，在環(huán)境空間中以排氣立管幾何軸線為中心線呈拋物面形分層。小顆粒物（10μm以下）抬升的高度基本與氣體的抬升高度一致；大顆粒物（10μm以上）的抬升高度則與其粒徑緊密相關(guān)，隨著粒徑的增大在高度上呈逐層減小的分布狀態(tài)，其分布輪廓近似于拋物球面，與射流斷面上氣流的速度分布相似。

（2）環(huán)境溫度和射流氣體的溫度對顆粒物抬升高度影響程度不同，環(huán)境溫度對顆粒物上升高度影響稍顯著。射流氣體的溫度不變時，環(huán)境溫度的逐漸升高，顆粒物也不斷地抬高，粒徑越大越明顯；環(huán)境溫度不變時，射流氣體的出口溫度升高，顆粒物抬升高度基本上保持不變；環(huán)境溫度和射流氣體的溫度均在變化，但溫差保持不變，抬升高度隨著溫差增大而增大。

參考文獻

[1]GeorgeD.ThurstonandSc.D.DeterminingthepollutionsourceassociatedwithPMhealthEffect.Vo1.1,1998

[2]谷清，煙氣抬升公式計算對比，環(huán)境科學研究，Vo1.4,No.3,1981

[3]周謨?nèi)剩后w力學泵與風機（第三版），北京：中國建筑工業(yè)出版社，1988