Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Распространение в атмосфере выбросов тепловых электрических станций 7
1.1. Тепловые электрические станции как источник загрязнения воздушной среды 7
1.1.1. Характеристика загрязнения атмосферного воздуха на территории Республики Татарстан 17
1.2. Основные положения атмосферной диффузии 20
1.3. Методы математического моделирования распространения загрязнений в атмосфере 25
1.4. Методика расчета приземных концентраций загрязняющих веществ ОНД-86 36
ГЛАВА 2. Метод расчета пространственного распределения концентрации выбросов тепловых электрических станций в атмосферу 42
2.1. Математическая модель для расчета поля концентрации выбросов тепловых электрических станций в атмосферу 42
2.1.1. Постановка задачи и основные уравнения 43
2.1.2. Численный метод решения уравнения диффузии 48
2.1.3. Аналитическое решение для приземной концентрации выбросов 50
2.2. Параметрическое исследование приземной концентрации выбросов ТЭС в атмосферу 56
ГЛАВА 3. Моделирование начального подъема выбросов тепловых электрических станций 61
3.1. Расчет динамического подъема при степенном и логарифмическом профиле скорости ветра 62
3.2. Расчет теплового подъема при степенном профиле скорости ветра 67
3.3. Моделирование начального динамического подъема выбросов тепловых электрических станций в масштабе пограничного слоя атмосферы 73
3.4. Моделирование начального теплового подъема выбросов тепловых электрических станций в масштабе пограничного слоя атмосферы 78
ГЛАВА 4. Математическая модель для расчета приземной концентрации выбросов ТЭС 83
4.1. Математическая модель распределения приземных концентраций вредных выбросов с учетом пограничного слоя атмосферы 83
4.2. Сравнение предлагаемой модели начального подъема выбросов ТЭС с моделями Берлянда, Бриггса и Холланда 86
4.3. Исследование зависимости приземной концентрации выбросов ТЭС от параметров выбросов и метеорологических условий 96
4.4. Расчет приземной концентрации выбросов вредных веществ из труб Казанских ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3 104
4.4.1. Распространение выбросов от Казанской ТЭЦ-1 104
4.4.2. Распространение выбросов от Казанской ТЭЦ-2 109
4.4.3. Распространение выбросов от Казанской ТЭЦ-3 112
Выводы 118
Литература 120
- Основные положения атмосферной диффузии
- Параметрическое исследование приземной концентрации выбросов ТЭС в атмосферу
- Расчет теплового подъема при степенном профиле скорости ветра
- Сравнение предлагаемой модели начального подъема выбросов ТЭС с моделями Берлянда, Бриггса и Холланда
Введение к работе
Актуальность исследования. На сегодняшний день математические модели разной степени сложности широко применяются для предсказания и анализа распространения выбросов, загрязняющих веществ в атмосфере. В конечном итоге всякая математическая модель сводится к некоторым аналитическим выражениям или численным процедурам, позволяющим рассчитать поля концентраций загрязняющих веществ в зависимости от метеорологических условий, параметров выбросов, характеристики источника загрязнений т. д.
Компьютерные программы, создаваемые для расчета полей концентраций на основе таких математических моделей, являются неотъемлемой частью экологического мониторинга окружающей среды. Применяемые за рубежом расчетные методики, основаны на гауссовской модели факела и используют обычно в качестве составной части простые формулы для описания начального подъема выбросов, полученные путем обработки экспериментальных данных. В России, в настоящее время, для расчета распределения в атмосфере концентраций выбросов из труб энергетических и других предприятий используется методика ОНД-86, утвержденная в качестве нормативного документа в 1986 году. Эта методика позволяет адекватно предсказать распределение приземной концентрации выбросов только в условиях слабонеустойчивого состояния атмосферы, и не учитывает ряд существенных факторов, таких, как класс устойчивости атмосферы, шероховатость подстилающей поверхности и т.д. Кроме того, до настоящего времени практически неисследованной остается ситуация, когда эффективная высота источника, вычисленная с учетом начального подъема примеси, сравнима с толщиной ПСА. Между тем, только геометрическая высота труб современных тепловых электрических станций достигает 300-400 метров, в то время как толщина ПСА, зависящая от метеорологических условий, колеблется от
5 нескольких сотен метров (в ночные часы при слабом ветре) до 1-2 км (в дневные часы при сильном ветре), поэтому такие ситуации встречаются довольно часто. В связи с этим к настоящему времени возникла потребность в математической модели, которая отражала бы эти факторы.
Целью работы является создание математической модели, адекватно описывающей распространение выбросов энергетических предприятий в атмосфере. Работа включает создание соответствующих методик расчета концентрации выбросов как газообразных, так и выбросов твердых частиц, и создание программ для ЭВМ. В качестве составной части работы выступает задача создания адекватной модели начального подъема выбросов.
Научная новизна полученных в работе результатов, заключается в следующем:
разработана математическая модель распространения выбросов от высотного точечного источника заданной эффективной высоты, соизмеримой с высотой пограничного слоя атмосферы, которая позволяет учесть метеорологические условия (класс устойчивости атмосферы, скорость ветра), а также шероховатость подстилающей поверхности;
получено аналитическое решение для приземной концентрации, учитывающее характеристики источника, скорость ветра на высоте флюгера, шероховатость подстилающей поверхности, класс устойчивости атмосферы;
получены простые аналитические выражения для траектории и высоты начального теплового и динамического подъема дымового факела для степенного профиля скорости ветра;
получены аналитические выражения для траектории и высоты начального теплового и динамического подъема дымового факела для профиля скорости, рассчитанного в рамках теории пограничного слоя атмосферы.
Практическая значимость.
На основе полученных выражений для приземной концентрации и высоты начального подъема выбросов ТЭС, разработана математическая модель и методика расчета приземной концентрации, реализованная в виде
комплекса компьютерных программ. Предлагаемая методика позволяет провести параметрические исследования распространения выбросов ТЭС с различными характеристиками источников выбросов при различных метеорологических условиях. Предлагаемая методика расчета распространения загрязняющих веществ в атмосфере может быть рекомендована службам экологического контроля.
Исследована зависимость распределения выбросов ТЭС от параметров источника выброса (высота и диаметр выходного отверстия трубы, температура и скорость дымовых газов), метеорологических условий (скорость ветра и класс устойчивости атмосферы) и шероховатости подстилающей поверхности.
Для Казанских ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3 получена зависимость максимальной приземной концентрации диоксидов азота и серы от скорости ветра и класса устойчивости атмосферы. Методика расчета приземной концентрации выбросов в атмосферу, реализованная в виде пакета прикладных программ, принята к использованию на Казанских ТЭЦ.
Результаты работы включены в лекционные курсы для студентов направления «Теплоэнергетика».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, списка литературы (151 наименования) и содержит 133 страницы печатного текста, включая 8 таблиц и 73 рисунка.
Основные положения атмосферной диффузии
Атмосфера окружает Землю и простирается по высоте на сотни километров. Подробные данные об атмосфере приводятся в [5]. Основное количество воздуха содержится в слоях, непосредственно примыкающих к земной поверхности: так, до высоты 5 км содержится 50% общего воздуха, а до 30 км —99%.
Состав сухого воздуха по объему характеризуется следующими данными: азота 78,084 %, кислорода 20,946 %, аргона 0,934 %, углекислого газа 0,030 % (в настоящее время содержание углекислого газа за счет антропогенной деятельности увеличилось до 0,032 % и продолжает возрастать), имеются также другие газы в очень малых концентрациях. Постоянные компоненты атмосферного воздуха находятся в одном и том же соотношении в пределах некоторой области, которая простирается от земной поверхности до высот порядка 85 км. Основные меняющиеся компоненты атмосферного воздуха -водяной пар и углекислый газ содержатся в основном в нижнем слое толщиной в несколько километров.
Поступающая в атмосферу от источника примесь рассеивается и переносится в воздухе постоянно существующими в атмосфере турбулентными вихрями разных масштабов. Турбулентности атмосферы посвящены монографии [7, 43, 44, 112]. Горизонтальные размеры атмосферных вихрей могут достигать нескольких сотен километров (типичный пример - циклоны и антициклоны). Вертикальные размеры вихрей в атмосфере обычно ограничены и составляют несколько сотен метров.
Наибольшее значение для рассеивания имеет нижний слой, распространяющийся от земной поверхности до высоты примерно 11 км, носящий название тропосферы. В нем содержится 75 % общего объема воздуха атмосферы. Тропосферу можно условно разделить на пограничный слой и свободную атмосферу. В пограничном слое выделяют его нижнюю часть, примыкающую к поверхности, в которой напряжение трения можно принять постоянным. Типичная толщина приземного слоя составляет 40 - 100 м. В пограничном слое профиль скорости выравнивается с высотой. Толщина пограничного слоя оценивается величиной порядка 1 км. В свободной атмосфере скорость ветра с высотой и характеристики турбулентности меняются мало. Рассмотрению различных аспектов пограничного слоя атмосферы посвящены [22, 32, 52, 66, 67, 81, 83, 87, 91, 112, 114, 132, 142, 147].
Атмосфера находится практически в непрерывном движении. Движение воздуха всегда носит турбулентный характер. Интенсивность атмосферной турбулентности и, следовательно, интенсивность диффузии примеси в различных погодных условиях различны и зависят, главным образом, от вектора скорости ветра и вертикального температурного градиента, определяемого температурой поверхности земли и прилегающего к ней слоя воздуха.
За счет турбулентного движения в атмосфере создаются пульсационные скорости во всех трех направлениях, її, и, Ш, которые и обеспечивают перемешивание дымовых газов с атмосферным воздухом. Особое значение имеют пульсационные скорости в перпендикулярной к направлению ветра плоскости: горизонтальная и и вертикальная W, так как именно за счет них происходит раскрытие дымового облака.
Пульсационные скорости зависят от большого числа факторов: скорости ветра, характера подстилающей поверхности, строения атмосферы и ряда других. На пульсационные скорости вблизи земной поверхности влияет характер изменения скорости ветра с высотой. Таким образом, вблизи земной поверхности величина пульсационной скорости изменяется с высотой, как это имеет место в пограничном потоке у стенки турбулентного потока. На некотором расстоянии от земной поверхности, когда профиль скоростей ветра по высоте практически выравнивается, пульсационные скорости можно считать неменяющимися с высотой.
На пульсационные скорости в вертикальном направлении Ш особое влияние оказывает характер изменения температуры с высотой — температурная стратификация атмосферы [5, 7, 28, 40, 45, 68, 73, 89,105, 107, 118,149].
Чем сильнее нагрета земля, тем интенсивнее вертикальное перемешивание воздуха. Нагревающийся у поверхности земли воздух вследствие уменьшения его плотности поднимается вверх, а более холодный и плотный опускается к поверхности земли. Если, поднимаясь, нагретый воздух расширяется сухоадиабатически, без обмена теплом с окружающими массами в сухой атмосфере воздуха, то температура его понижается примерно на 1 С на каждые 100 метров высоты. Это значение принимается за сухоадиабатический градиент температуры. градиенте температуры, равном адиабатическому градиенту, поднимающийся объём воздуха на каждом уровне будет обладать такими же свойствами, что и окружающие массы воздуха и, следовательно, не будет иметь дополнительного ускорения. Такое состояние атмосферы называется безразличным (нейтральным).
Если температура окружающего воздуха понижается с высотой так, что её вертикальный градиент оказывается больше адиабатического, то движущийся снизу объём воздуха получает ускорение за счёт сил плавучести, и образующиеся таким образом нагретые конвективные токи поднимаются на большую высоту, а взамен их вниз опускаются холодные струи воздуха. Такие условия, характеризуемые интенсивным вертикальным перемешиванием воздуха, называются неустойчивыми (конвективными).
Условия, характеризуемые очень слабым турбулентным обменом, называются устойчивыми. Наиболее устойчивые условия возникают при инверсии температуры (при повышении её с изменением высоты). Если температура воздуха с высотой возрастает или постоянна, то вертикально поднимающийся объём воздуха оказывается холоднее окружающих масс, и его движение затухает. Возможны условия, когда температурная инверсия возникает в приподнятом над землёй сравнительно тонком слое воздуха. Этот случай называют приподнятой инверсией (или инверсионной крышкой). Такой слой подавляет турбулентность, поэтому диффузия через него ослаблена.
Как правило, в течение суток вертикальный температурный градиент сильно меняется. Соответственно меняются и условия рассеяния в атмосфере.
При практических расчётах условия рассеяния примеси распределяются по категориям (классам) устойчивости. В настоящее время существует несколько систем классификации метеорологических условий [39, 43, 44, 80, 82, 149].
Сравнительно простая классификация устойчивости атмосферы по стандартным метеорологическим данным сетевого типа (интенсивность солнечного сияния, облачность, скорость ветра у земли) предложена
Параметрическое исследование приземной концентрации выбросов ТЭС в атмосферу
Важнейшей характеристикой загрязнения является распределение приземной концентрации выбросов. В разделе 2.1.2 было получено аналитическое выражение для приземной концентрации выбросов, позволяющее упростить проведение различных параметрических исследований, в частности исследовать зависимость максимальной приземной концентрации от скорости ветра, класса устойчивости атмосферы, шероховатости подстилающей поверхности, высоты дымовой трубы.
Важной составной частью расчета полей концентраций выбросов ТЭС является определение начального подъема выбросов. В наших расчетах использовались три хорошо известные модели для вычисления начального подъема дымового факела, а именно Берлянда, Бриггса и Холланда [19, 20, 150], приведенные выше в разделе 1.3 - формулы (1.3.26)-(1.3.31).
Для выявления основных закономерностей распространения выбросов от высотного точечного источника были проведены расчеты, как распределений осевых приземных концентраций q0, так и значения максимальной приземнойконцентрации (2.1.24) при различных метеорологических условиях. В расчетной модели использованы полученные ранее аналитические выражения для определения осевой приземной концентрации выбросов.
Рассматривается источник выбросов высотой h=150 м, скорость газов на срезе трубы W0 =20 м/с, радиус устья дымовой трубы Я0=3 м, температура газов Т0 =420 К, температура окружающего воздуха Та =300 К, шероховатость подстилающей поверхности z0=0,l м, количество вредных выбросов =100 г/с.
На рис. 2.4 - 2.9 представлены результаты расчета приземной осевой концентрации газообразных выбросов и ее максимального значения для третьего и четвертого классов устойчивости атмосферы. На всех рисунках
На рис. 2.4 показана зависимость приземной концентрации от геометрической высоты трубы. Из рисунка видно, что увеличение высоты трубы приводит к снижению уровня максимальной концентрации и удалению координаты максимума.
На рис. 2.5 показано влияние шероховатости подстилающей поверхности. Следует отметить, что наиболее сильное влияние подстилающая поверхность оказывает на координату максимума приземной концентрации, причем при малых значениях z0 координата максимума сильно удаляется от источника.
Результаты расчетов сильно зависят от выбора модели для вычисления начального подъема дымового факела. Из рис. 2.8 видно, что при увеличении устойчивости максимальное значение концентрации снижается, а ее координата удаляется от источника. При увеличении скорости ветра (рис. 2.9) величина максимальной приземной концентрации в одних случаях имеет возрастающий характер, а в других - явно выраженный максимум. В [20] скорость ветра, при которой достигается максимальное значение qmax, названа «опасной» скоростью ветра. Приземные концентрации выбросов, полученные с использованием формул Бриггса, существенно меньше, рассчитанных по формулам Берлянда и Холланда. Формулы Бриггса приводят к возрастающей зависимости qmax от скорости ветра, т.е. в этих случаях нельзя говорить об«опасной» скорости ветра.
Из сказанного выше можно сделать вывод, что разработка адекватной модели начального подъема является важнейшей предпосылкой достоверного моделирования распространения выбросов ТЭС в атмосфере. где h - геометрическая высота источника, A/z - высота начального подъема выбросов. Существует большое количество работ, посвященных расчету начального подъема выбросов энергетических предприятий [121, 122]. Обзор литературы можно найти, например, в монографиях [59, 150]. Формулы, применяемые в инженерной практике для оценки начального подъема, основаны на суммировании высот начального подъема, рассчитанных отдельно для динамической и тепловой составляющей подъема:
Для вычисления динамической и тепловой составляющей подъема чаще всего применяются формулы Берлянда, Бриггса, Холланда и другие подобного типа, основанные на некоторых априорных допущениях и обработке экспериментальных данных. Формулы Берлянда, Бриггса, Холланда приводятся в разделе 1.3 (формулы (1.3.26) - (1.3.31)). В разделе 2.2 было показано, что выбор применяемой модели начального подъема сильно влияет на результаты расчета приземной концентрации выбросов.
Ниже рассматривается динамический и тепловой подъем выбросов ТЭС в предположении, что профиль скорости ветра является степенной функцией вертикальной координаты. Это позволяет получить аналитические выражения для траектории и величины начального подъема выбросов. Степенной профиль скорости ветра достаточно хорошо описывает поведение скорости ветра в нижней части пограничного слоя атмосферы. Далее предлагается более общая математическая модель начального подъема, основанная на использовании профиля скорости ветра, полученного из решения уравнений пограничного
Расчет теплового подъема при степенном профиле скорости ветра
Рассмотрим случай горячих выбросов, когда начальный подъем определяется тепловой составляющей (динамический подъем много меньше теплового, так что им можно пренебречь). В тех случаях, когда динамический и тепловой подъем соизмеримы, расчет динамического и теплового подъема ведется независимо (приближенно считается, что взаимовлияние динамического и теплового подъема отсутствует). Уравнение для координаты центра траектории струи дымовых газов z можно записать как где и - скорость ветра, WT - вертикальная скорость теплового подъема. Для отношения вертикальной скорости теплового подъема к скорости ветра используется следующее соотношение [121, 122] газов, R0 - радиус трубы, АТ=Тг-Та - разность температуры выбросов Тг и окружающего воздуха Та, g-ускорение силы тяжести, с2 и є - некоторые константы, определяемые из экспериментальных данных, причем величина є характеризует ширину струи в поперечном направлении у и зависит от стратификации атмосферы. По определению [121, 122] полуширина струи в направлении у на расстоянии х от источника выбросов составляет є . Величину є можно оценить, используя экспериментальные данные о дисперсии поперечного распределения выбросов Gy [39], учитывая, что распределение выбросов в поперечном направлении у обычно описывается гауссовым законом. Из свойств гауссова распределения следует, что полуширина струи выбросов приблизительно равна величине 2,15 а . Если принять а = Ь х, то получаем оценку гу « 2,15by. Уравнение для координаты центра траектории струи дымовых газов окончательно представляется в виде Для обыкновенного дифференциального уравнения (3.2.1) с профилем скорости ветра (3.1.2) имеем очевидное граничное условие на срезе трубы z=0 при х=0. Поставленная краевая задача имеет аналитическое решение где с . Соотношение (3.2.4) представляет собой нелинейное уравнение относительно величины А/г, которое можно решить каким-либо известным методом (деления отрезка пополам, секущих, Ньютона и т.д.). При h=0 выражение для А/г упрощается За Так же, как и для динамического подъема проведем сравнение полученных зависимостей с известными формулами Берлянда, Бриггса и Холланда для вычисления теплового подъема дымового факела, полученными на основе обработки экспериментальных данных. Формула Берлянда для теплового подъема представляется следующим образом Формула Бриггса для 1, 2, 3, 4 классов устойчивости атмосферы (для неустойчивых и нейтральных состояний) имеет вид: а для 5 и 6 классов устойчивости атмосферы (для устойчивых состояний), соответственно понимается скорость ветра на высоте среза трубы (3.1.12) Проще всего провести сравнение, используя явное выражение (3.2.5). Формулу Берлянда (3.2.6) можно рассматривать как предельный случай выражения (3.2.5) при а = 0 (помимо численных коэффициентов отличие состоит в том, что в (3.2.6) вместо температуры газов стоит температура окружающего воздуха). Выражение (3.2.9) дает аналогичную зависимость А/г от теплового параметра Fb, а отличие состоит в зависимости от скорости ветра. Отметим, что за счет этого в (3.2.9) при ос -ф 0 А/г /г"а. При а Ф 0 из (3.2.5) і следует А/г FbMa . Для неустойчивой стратификации атмосферы при а = 0,11 получаем Ah Fb 15, для нейтральной стратификации при ос=0,23 соответственно А/г Fb 6, то есть мы имеем такие же зависимости от теплового параметра Fb, как и в (3.2.7). Для умеренно устойчивой стратификации при ос=0,33 получаем Ah Fb12. Для сильно устойчивых состояний атмосферы при а = 0,66 соотношение (3.2.5) дает Ah Fb13, т.е. в данном случае (3.2.5) дает зависимость А/г от Fb, такую же, как и формула Бриггса (3.2.8). Рассмотрим в качестве примера источник выбросов, используемый для исследования динамической составляющей подъема. Расчеты проводились при /gP0=0,l. В табл. 3.1 приводятся использованные в расчетах значения параметров модели ст и а для разных классов устойчивости атмосферы (эти зависимости построены на основе имеющихся экспериментальных данных). На рис. 3.5 представлены траектории теплового подъема как функции расстояния от трубы, рассчитанные по соотношению (3.2.2) для 1, 3, 4 и 6 классов устойчивости. С увеличением устойчивости атмосферы величина Ah убывает. На рис. 3.6 изображены траектории теплового подъема при различных значениях разности температуры выбросов и окружающего воздуха AT для 5 класса устойчивости атмосферы. На рис. 3.7 проведено сравнение высоты начального подъема Ah, рассчитанного по предлагаемой модели (кривая 1), с расчетом по формулам Бриггса и Холланда (3.2.7) и (3.2.9) (кривые 2 и 3, соответственно) для h =150 м и разных классов устойчивости. Расчеты показывают, что величина Ah убывает с увеличением устойчивости атмосферы. Увеличение высоты трубы h, также приводит к уменьшению Ah. Для рассматриваемого варианта формула Берлянда (3.2.6) дает значение Ah= 131 м. На рис. 3.8 показана зависимость высоты начального подъема Ah, рассчитанного по предлагаемой модели (кривая 1), по формулам Бриггса (3.2.7), Холланда (3.2.9) и Берлянда (3.2.6) (кривые 2, 3, 4, соответственно), от скорости ветра и10 для 3 класса устойчивости атмосферы. Для умеренных скоростей ветра (м10«3 м/с) предлагаемая модель и формулы Бриггса дают близкие значения теплового подъема Ah для всех классов устойчивости атмосферы. Для 3 класса устойчивости с увеличением скорости ветра значения Ah по предлагаемой модели становятся ближе к результатам, получаемым по формулам Берлянда и Холланда. Математическая модель динамического и теплового подъема выбросов ТЭС, представленная в настоящей работе, позволяет учесть влияние класса устойчивости атмосферы, температуры и скорости выхода дымовых газов, профиля скорости ветра и высоты источника выбросов на траекторию и высоту начального подъема. Проведенное сравнение показывает, что известные формулы Берлянда, Бриггса и Холланда можно рассматривать как некоторые предельные случаи полученных нами зависимостей. Таблица 3.1. Параметры модели Рассмотрим начальный динамический подъем в масштабе пограничного слоя атмосферы, при этом будем использовать профиль скорости ветра, полученный из решения уравнений пограничного слоя атмосферы (ПСА). Это позволяет получить аналитические выражения для траектории начального подъема выбросов. Рассмотрим для пограничного слоя атмосферы постановку задачи, аналогичную постановке задачи раздела 3.1 для степенного профиля скорости ветра. Ранее в разделе 3.1 было записано уравнение для координаты центра траектории струи дымовых газов z - формула (3.1.1). Для описания профиля скорости ветра в пограничном слое атмосферы применяются выражения, использованные нами ранее в разделе 2.1. Указанные профили скорости имеют вид:
Сравнение предлагаемой модели начального подъема выбросов ТЭС с моделями Берлянда, Бриггса и Холланда
В разделе 2.2 показано, что результаты расчетов приземной концентрации выбросов сильно зависят от выбора формул для вычисления начального подъема дымового факела (Берлянда, Бриггса или Холланда), причем, при увеличении скорости ветра величина максимальной приземной концентрации в одних случаях имеет возрастающий характер, а в других - явно выраженный максимум. Скорость ветра, при которой достигается максимальное значение qmm, часто называют «опасной» скоростью ветра [20].
Рассмотрим в качестве примера источник выбросов высотой h =240 м, скорость газов на срезе трубы W0=30 м/с, радиус устья дымовой трубы R0=3,6м, температура газов Г0=420 К, температура окружающего воздуха Га=300 К,количество вредных выбросов Q=\00 г/с. Ниже приводятся результатырасчетов распределения осевой приземной концентрации по направлению ветра при различных классах устойчивости атмосферы, скоростях ветра изначениях шероховатости подстилающей поверхности z0 с использованием для определения высоты начального подъема известных формул Берлянда, Бриггса и Холланда, а также соотношений На рис. 4.1 представлены результаты расчета приземной осевой концентрации газообразных выбросов для третьего класса устойчивости атмосферы, скорости ветра 3 м/с, шероховатости подстилающей поверхности 0,45 м (для вычисления начального подъема применялись: предлагаемая модель уравнения (4.4) и (4.7), формулы Бриггса, Холланда и Берлянда).
Предлагаемая модель и расчет с использованием формулы Холланда приводят к близким распределениям приземной осевой концентрации.
На рис. 4.2 - 4.4 показана зависимость максимальной осевой приземной концентрации qmax (2.1.24) от скорости ветра и10 для третьего классаустойчивости атмосферы и значений шероховатости подстилающей поверхности z0 0,4 м, 0,15 м и 0,015 м соответственно. Расчет начальногоподъема в рамках предлагаемой модели и по формуле Бриггса при малых значениях шероховатости z0 приводит к близким значениям врассматриваемом диапазоне скоростей ветра. Для больших значений шероховатости z0 наша модель дает результаты, близкие к формуле Берлянда, а для средних значений z0 - близкие к формуле Холланда. Близкие значенияначального подъема приводят к близким распределениям приземной концентрации выбросов.
Заметим, что при z0 = 0,4 м предлагаемая модель и расчет сиспользованием формулы Берлянда дают явно выраженный максимум qmzx приодном и том же значении скорости ветра.Рассмотрим, как влияет температура выброса Г0, скорость»гравитационного осаждения w (в случае выбросов твердых частиц), высота источника h, а также шероховатость подстилающей поверхности z0 намаксимальное значение осевой приземной концентрации, ее координату, а так же на высоту начального подъема выбросов над устьем дымовой трубы. Характерные зависимости для заданного источника мощностью выброса g = 100 г/с, при скорости ветра и10 = 3 м/с для третьего класса устойчивостиатмосферы представлены на рис. 4.5 - 4.12.
При рассматриваемой скорости ветра щ0 = 3 м/с и шероховатости подстилающей поверхности z0 = 0,4 м предлагаемая модель и модель начального подъема Холланда дают близкие значения высоты начального подъема Ah, что приводит к близким значениям qmsx. подстилающей поверхности z0 при различных метеорологических условиях. Как видно из рис. 4.8(B) высота начального подъема Д/г, рассчитанная по моделям Берлянда, Бриггса и Холланда не зависит от величины z0 (в формуле1.3.31 показатель степени а зависит только от класса устойчивости атмосферы), в то время как предлагаемая модель начального подъема в пограничном слое атмосферы имеет явно выраженную зависимость от величины шероховатости подстилающей поверхности. Из рис. 4.8 следует, что для третьего класса устойчивости атмосферы и скорости ветра м10 = 3 м/с распределение осевой приземной концентрации q0 почти совпадает с расчетом по модели Холланда при z0=0,4 м, по модели Берлянда при z0=0,22 м, и по модели Бриггса при z0=0,ll м. Рис. 4.9 показывает, что значения высотыначального подъема, рассчитанные по предлагаемой модели и модели Холланда при скорости ветра и10=4 м/с для третьего класса устойчивостиатмосферы, совпадают при z0=0,27 м. Аналогичные зависимости рис. 4.10,полученные при ию=5 м/с, дают совпадающие значения при z0=0,21 м. С увеличением скорости ветра и10 значения шероховатости z0, при которыхзначения высоты начального подъема и максимальной приземной концентрации выбросов, рассчитанные по предлагаемой модели и формулам Бриггса или Холанда совпадают, убывают. С другой стороны, с увеличением скорости ветра и,0 значения z0, при которых предлагаемая модель даетсовпадающие с формулой Берлянда результаты, возрастают.
Из рис. 4.11 и 4.12 следует, что предлагаемая модель и использование формулы Берлянда дают некоторые совпадающие значения максимальной приземной концентрации при z0, убывающих с ростом номера класса устойчивости атмосферы. Использование формулы Бриггса для высоты начального подъема приводит к увеличению z0 с ростом номера классаустойчивости атмосферы. Применение формулы Холланда дает немонотонную зависимость z0 от класса устойчивости атмосферы.
