专利名称：一种用于露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法
技术领域：
本发明涉及一种用于露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法，属于环境科学与工程技术领域的大气颗粒物控制技术领域。
背景技术：
长期以来，对于环境领域中大气颗粒物释放强度的量化问题一直是专家学者争论的焦点，尤其是随着环境防治工作的纵深发展，释放源强作为极具实践意义的基础参数，是各类防治措施比较评价的依据，也是大气防治领域中的研究重点和中心，其计算和确定备受关注。上世纪90年代陆续开展的多个城市大气颗粒物的源解析结果表明开放性颗粒源已成为大气颗粒物的主要来源之一。在我国北方城市，开放源的分担率已达到40% 80%，已成为诸多城市环境质量达标的制约因素。研究学者将各种由于风力或机械力作用于裸露物质表面而引起的无规则、无组织的颗粒物排放源定义为开放性颗粒源或称为风蚀型源类，它是一种复合源，具有源强不确定，排放不连续等特点。颗粒物的扬尘行为，是一个由许多因素影响的空气流与颗粒物在界面上相互作用的一种复杂动力过程，其中涉及的很多微观机理问题大部分是未知的或是假设和猜想的， 所以对于颗粒物开放源强估算上，目前尚停留在粗略的经验公式的水平上。正由于对扬尘释放机理缺乏深入的研究，导致在实际估算中对于摩阻风速、含水率，颗粒起动阈值，地表粗糙度、剪切应力等重要动力学参数的选取非常混乱，源强估算的问题一直没有得到解决。从机理上看，颗粒物开放源扬尘的实质是自然风力作用下颗粒的质量迁移问题。 而颗粒物开始运动的临界状态对于这一问题的研究具有基本的意义，其中的核心问题就是摩阻风速与颗粒起动阈值风速的确定问题当风过颗粒表面产生的摩阻风速小于颗粒起动阈值风速，表明颗粒没有移动，尘源释放强度为零；反之，当颗粒表面的摩阻风速大于它自身的起动阈值风速，则说明颗粒开始移动，尘源释放因子不为零。所以摩阻风速作为风力作用在颗粒物上的等效作用参数，是判断颗粒微团开始移动的关键依据，是分析颗粒物释放有无以及源强释放强弱的重要参数。确定摩阻风速的传统方法是风洞试验，美国国家环保局利用风洞试验给出了圆锥形和带平顶的椭圆形两种料堆当高与底的比率大于0.2，来流方向分别为0°，20°和40°情况下摩阻风速的计算方法。对于实际堆场中，各种任意颗粒源形状和多变的风力作用下的摩阻风速的确定问题，一直无法解决。2005,2007年，Badr and Harion采用计算流体动力学的方法，确定了工业堆场中颗粒源表面上的无因次风速(UsAO，之后再结合入口风速，确定颗粒源表面的摩阻风速，最后采用EPA模式确定颗粒释放因子。到目前为止，还没有直接确定摩阻风速的文献报道。
发明内容
本发明的任务在于提供一种用于露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法，其采用空气动力学计算方法，通过计算风吹过颗粒源周围流场分布，结合实验验证， 确定了摩阻风速的作用高度，进而得到颗粒源表面每一网格子区域内的摩阻风速值，解决了摩阻风速值的获取问题，进而可计算得释放因子，同时还可判别颗粒源表面各区域受风蚀影响程度，为开放性源强的估算提供新的模式。本发明的技术解决方案是一种用于露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法，包括以下步骤a选取任意形状颗粒源，按照1 1比例，建立颗粒源物理模型；设计计算域，确定计算所必需的入口及边壁条件；b采用非均勻四面体网格对步骤a中设计的计算域实施网格划分，网格划分遵循 “近壁加密”原则，即靠近颗粒源物理模型的区域采用精密网格，远处采用稀疏网格；并对网格划分方法进行敏感性验证，直至网格划分方法对计算结果的敏感性影响时，方可认定完成网格划分；c选用稳态k_ ε 二方程湍流数学模型，将控制方程写成通用守恒方程，采取有限容积法将方程离散成差分方程并采用二阶迎风格式求解；d继续采用压力-速度耦合的半隐式算法求解，将计算误差控制在δ ^ 10_3以内， 以此得到流场计算结果；e根据步骤d得到的流场计算结果，确定颗粒源上空不同铅垂高度截面处的风速均值，然后采用幂指数形式Z = aUm对其进行曲线拟合，其中Z为距离颗粒源表面高度，U为各高度下对应的风速均值，曲线横坐标为风速均值，曲线纵坐标为垂直高度，拟合的曲线在纵坐标上的截距，即为摩阻风速的作用高度，提取距离颗粒源表面等作用高度处风速值即可获得摩阻风速分布及颗粒源受风蚀影响状况；f将步骤e获取的摩阻风速分布以颗粒阈值摩阻风速为基准，划归到若干个不同的速度范围，统计各速度范围段下所对应的子区域面积；g按照公式(1)统计颗粒源各表面风蚀起尘量并汇总；EF = m^^^u -ut) +25(u -u*)^^ u > Ut(1)式中EF为每年的释放因子(kg/年)；m为表征颗粒大小的无因此系数；N为每年扰动次数为颗粒阈值摩阻风速(m/s) ；u*为摩阻风速(m/s) ；M为摩阻风速u*大于颗粒阈值摩阻风速<所对应的网格面积数；SU是对应于第ith扰动下的第jth节点的单元面积。步骤a中，所述计算域沿长宽高三个方向的长度均设置为颗粒源本身尺寸的10 倍，将计算域的入口断面设置为风速幂函数形式的速度入口断面(包括风向设置)，出口断面设置为自由出流断面，上下及前后断面均设置为对称边界断面。上述动力学估算方法是基于步骤b中网格节点单元子区域风蚀释放因子计算并对颗粒源表面所有节点单元代数求和后实现的。 本发明的有益技术效果是1、提供了一套完整的适合露天开放性颗粒源风蚀释放因子的计算方法，称为动力学估算模式。2、采用动力学模式求解颗粒源周围流场分布，获取了颗粒源表面的粗糙度，并以此作为摩阻风速值提取高度，有效解决了颗粒源风蚀表面摩阻风速值的获取问题。
3、动力学估算模式突破了现有EPA模式中对特定风向和颗粒源堆存形状的限制， 具有更普遍、更宽广的适用性，为研究任意来流和不同形状颗粒源风蚀释放因子的估算提供了新途径。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步说明图1是颗粒源计算物理模型；图2是计算网格的划分方法示意图；图3是颗粒源表面摩阻风速作用高度的确定方法示意图；图4是颗粒源表面摩阻风速分布；图5是风蚀面积统计汇总；图6是某煤炭输出港露天开放源堆场平面图；图7是露天开放源堆场计算网格划分示意图；图8是露天开放源堆场表面摩阻风速分布；图9是动力学模式与EPA模式计算起尘量结果的比较。
具体实施例方式选取颗粒源，建立露天开放性颗粒源物理模型，并设计适当的计算域，确定计算所必需的入口及边壁条件，具体如图1所示。采用非均勻四面体网格对颗粒源周围计算域空间实施网格划分，遵循“近壁加密” 原则，即靠近颗粒源物理模型的区域采用精密网格，远处采用稀疏网格，如图2所示。之后对网格划分方法进行敏感性验证，直至网格划分方法对计算结果的影响控制在为止。选用稳态k_ ε 二方程湍流数学模型，将控制方程写成通用守恒方程，采取有限容积法将方程离散成差分方程并采用二阶迎风格式求解，流场计算采用压力-速度耦合的半隐式算法并限定误差S ( ιο_3。根据上述步骤计算得到的流场结果，在垂直颗粒源表面每隔2m(即距离料堆表面 2m,4m,6m和8m处)设置一个截取平面，统计各平面上的风速均值，采用幂指数形式Z = aUm(其中Z为距离颗粒源表面高度，U为各高度下对应的平均风速)对其进行曲线拟合，其中横坐标为风速，纵坐标为垂直高度。拟合的曲线在纵坐标上的截距，即为摩阻风速的作用高度，具体确定方法，如图3所示。将摩阻风速的作用高度作为颗粒源表面摩阻风速提取高度，即可得到摩阻风速分布，见图4。将摩阻风速分布以颗粒阈值摩阻风速< 为基准，划归到若干个不同的速度范围， 统计各速度范围段下所对应的子区域面积。如以颗粒阈值摩阻风速<=0.23m/s (煤尘释放源的阈值摩阻风速)为例，各速度范围段下面积所占颗粒源表面积百分比的统计结果，见图5。按照公式(1)统计颗粒源各表面风蚀起尘量并汇总，见表1。
权利要求
1.一种用于露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法，其特征在于包括以下步骤a选取任意形状颗粒源，按照1 1比例，建立颗粒源物理模型；设计计算域，确定计算所必需的入口及边壁条件；b采用非均勻四面体网格对步骤a中设计的计算域实施网格划分，网格划分遵循“近壁加密”原则，即靠近颗粒源物理模型的区域采用精密网格，远处采用稀疏网格；并对网格划分方法进行敏感性验证，直至网格划分方法对计算结果的敏感性影响时，方可认定完成网格划分；c选用稳态k_ ε 二方程湍流数学模型，将控制方程写成通用守恒方程，采取有限容积法将方程离散成差分方程并采用二阶迎风格式求解；d继续采用压力-速度耦合的半隐式算法求解，将计算误差控制在δ以内，以此得到流场计算结果；e根据步骤d得到的流场计算结果，确定颗粒源上空不同铅垂高度截面处的风速均值， 然后采用幂指数形式Z = aUm对其进行曲线拟合，其中Z为距离颗粒源表面高度，U为各高度下对应的风速均值，曲线横坐标为风速均值，曲线纵坐标为垂直高度，拟合的曲线在纵坐标上的截距，即为摩阻风速的作用高度，提取距离颗粒源表面等作用高度处风速值即可获得摩阻风速分布及颗粒源受风蚀影响状况；f将步骤e获取的摩阻风速分布以颗粒阈值摩阻风速为基准，划归到若干个不同的速度范围，统计各速度范围段下所对应的子区域面积；g按照公式(1)统计颗粒源各表面风蚀起尘量并汇总；EF =-U*) +25(u*-Ut^Slj u > u*(ι)式中EF为每年的释放因子(kg/年)；m为表征颗粒大小的无因此系数；N为每年扰动次数为颗粒阈值摩阻风速(m/s) ；u*为摩阻风速(m/s) ；M为摩阻风速u*大于颗粒阈值摩阻风速<所对应的网格面积数；SU是对应于第ith扰动下的第jth节点的单元面积。
2.根据权利要求1所述的一种用于露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法，其特征在于步骤a中，所述计算域沿长宽高三个方向的长度均设置为颗粒源本身尺寸的10倍，将计算域的入口断面设置为风速幂函数形式的速度入口断面，出口断面设置为自由出流断面，上下及前后断面均设置为对称边界断面。
全文摘要
本发明公开了一种用于露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法，属于环境科学与工程技术领域的大气颗粒物控制技术领域，其采用空气动力学计算方法，通过计算风吹过颗粒源周围流场分布，结合实验验证，确定了摩阻风速的作用高度，进而得到颗粒源表面每一网格子区域内的摩阻风速值，解决了摩阻风速值的获取问题，进而可计算得释放因子。本发明与现有的美国国家环保局提供的基于实验测定的源强估算方法(EPA模式)相比，误差δ保持在6.0％～12.5％，具有很高的精度。
文档编号G06F17/50GK102289550SQ20111024310
公开日2011年12月21日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者丛晓春, 孙旭杰, 彭士涛, 戴明新, 曹世青, 杨树利, 詹水芬, 陈志龙 申请人:山东科技大学