第２卷第１期安全奥壤硬擎象
ｖ０１．２．Ｎｏ．１
２００２年２月
Ｊｏｕｒｎａｌ。ｆ
Ｓａ“ｙ
ａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
Ｆｅｂ．２００２
文章编号：１００９６０９４（２００２）０１００２１０３
烟气扩散的ＣＦＤ数值模拟’
金颖周伟国
阮应君
（同济大学热能工程系，上拇ｚｏ００９２）
摘薹：运用商业ｃＦＤ软件Ｆ】删ｔ模拟计算小尺寸下的简单烟气扩散规律。将结果用正态分布嵌设下的高斯烟羽模型验证。证明该软
件模拟烟气扩散问题的可符性。
关■词：数值模拟｝计算流体力学；烟气扩散；浓度场
中田分类号：０３５
文献标识码：Ａ
物质ｆ的组分方程
１引盲
大气污染一直是人们关注的问题，特别是对于工矿、钢铁．詈（胁）＋去（脾ｍｒ）一一警他邶。
（４）
电厂等拥有大型燃烧设备的企业。研究烟气扩散的规律、控制其中‘，一÷（耋＋警），邱是由于化学反应而导致的物质生
大气质量，对日益紧迫的环境问题有直接的指导作用。ｃＦＤ
成或销毁率；５．一是由于疏散相及其他白定义的源项而导致的物（ｃｏｍｐｕｔａｔＩｏｎａｌ
Ｆ１ｕｌｄ
ＤｙｎａｍＩｃｓ）技术，即计算流体力学技术ｔ
质生成率；Ｊ，吖为物质的质量扩散．对于层流：＾。一
尸ｎ一．。
随着电子计算机的推广普＿及和计算方法的新发展，几十年来得到了蓬勃的发展．显示出巨大活力。相对于实验研究，数值模拟筹；对于紊流：＾，一（Ｐｎ‰＋蠡ｊ筹，珥。为物质ｚ’在混
有其独特的优点：（１）研究成本低，周期短，（２）无实验仪器干扰｝（３）能获得完整的敷据；（４）能将计算情况在计算机屏幕上合物种的扩散系敷；ｓ“为紊流Ｓｃｈｍｉｄｔ敷茏。
形象地再现。本文用ｃＦＤ！目ｃ件Ｆｌｕｅｎｔ摸拟烟气的扩散问题。
３．２边界设置情况
２数值计算的几何模型
自然风人口（ａｈ）——ｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｌｅｔ（第一类）
烟囱出口（ｆｕｍｅ）——ｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｌｅｔ（第一类）
运用缩小实验尺寸模拟，空间尺寸为４．１５ｍ×３．２ｍ×２．
５
ｍ，烟囱高度１．１７７ｍ，直径６５ｍｍ，轴心距左侧面０．８ｍ。
Ｃ０２＋ａｌｒ（ｃＯ：质量百分比浓度为２２．１２％）
烟囱壁（ｆ…ｗａｌｌ）ｗａｌｌ要－ｏ＇差＝ｏ
／ｆ么÷一一√ｍｐｌａ，
／ｉ
Ｉ锄－、二－－－地面（ｇｒｏｕｎｄ）一ｗａＪｌ罢乩差一。其余出口面——。ｕｔｎ。ｗ警一。
用｛一Ｅ紊流模型［２３求解以上方程组，求解过程中运用迎风｜，，，７
移
差分格式及ｓＩＭＰＬＥ算法Ⅲ。
匕
４扩散规律的分析
圈ｌ几何模型
由于烟气的扩散规律与许多因素有关，根据由正态分布得ＦＩ｜ｌ
Ｇｅｏｍｅｔｒｙｍｏｄｅｌ
出的高斯烟羽模型及其他相关理论，一般情况下，下风向某点
３数值计算的物理模型及边界物理参数
的浓度主要与烟气建度ｙｆ。ｍ（即排烟量，源强Ｇ）、风速ｙ…烟
３．１模型方程［１１（张■寰示式）
囱高度Ｈ及烟气温度Ｔ“咐有关。而烟囱的高度直接涉及到模型的几何尺寸。本文做了烟气速度、风速、烟气温度３个影响因
差＝ｏ…
素的研究，讨论烟囱轴向断面（ｄｉｓｐｌａｙ）、距地面１ｍ处（ｐｌａｎｅ—ｚｎ（警扎差）
＝１）浓度分布及距地面ｌｍ处轴心（１ｊｎｅ一１）最大浓度与不同因素的关系。分析内容有：（１）烟囱轴线断面的浓度分布｝（２）距地
一～Ｐ０茧卢（７１
丁ｏ）＋尸。ｇ
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面１ｍ处浓度分布；（３）距地面１ｍ处轴线最大浓度ｃ一，最大
浓度出现距离ｘ…
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㈣
４．】实用理论基砷
由正态分布假设下得出的高斯基本扩散方程”。
・收■日螺：２００１一ｌｏ—１５
作者前升：金额（１９７８一）．女，硪士讲究生。占Ｌ事燃气输配与应用研究
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２２
安垒舆擐境挚猕
第２卷第１期
｛ｅｘｐ［一气≠卜ｘ。［一等］｝㈣
当ｚ取定值时，在轴线上（Ｊ—ｏ），必然在某一距离。处出现浓度最大值。故类似的，参考地面的一些实用公式
在实体高度不变的情况下，有效源高只与烟气的上升高度△日有关。根据我国“制定地方大气污染排放标准的技术原则和方法”中给出的计算上升高度的△片公式．烟气的上升高度随烟气流速的增加而增加，随烟气温度的增加而增加。
地面轴线浓度ｒ“，。・。・Ｈ，一磊岳ｅｘ一（｛箬）
ｒｓ）
禾２风速的影响
保证烟气出口温度、速度不变，改变风速．输入Ｆｌｕｅｎｔ算
ｃ…一罴・￡
“Ｊ…，一７享
Ｈ
㈤
‘８）
例，得到风速对烟气扩散的影响。２个工况的设置情况如表１。
裹ｌ工况●矗
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ｌ
Ｃｏｎｄｊｔｉ蛆ｐ＿ｒｎｍｅｔｅ幅
高架源的最大地面浓度通常是工矿企业烟囱排放必须考虑的因子，它的出现位置与烟囱设计和附近的平面布局有密切关系。式（７）中最大地面浓度与源高的平方成反比，即源高增大．地面浓度降低；而式（８）表明最大浓度出现位置随源高增加而变远。
有效源高Ｈ与烟囱的实体高度＾，和烟气的上升高度△Ｈ之和，即
Ｈ一＾，＋△Ｈ
（９）
不同风建下地面ｉｍ轴线竹敲度分布如图４所示。由围可以看出，风速越大，最大浓度出现的越远，浓度也越小，有利于
烟气的扩散。可由图５更清楚地看出。Ｘ～与风速基本成正比，而ｃ…与风速基本为反比关系。
Ｆｉｇ
３
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田３工况１与工况２
ａｎｄｃｏｎｄｉｔｏⅡ２
４．３烟气速度的影响
保证烟气出口温度即风速不变，改变烟气出口速度，输入ＦＩｕｅｎｔ算例，得到排烟速度（即排烟量）对烟气扩散的影响。
烟速越大，源强Ｇ越大，各点浓度值也正比例增大。同时．烟速越大，烟气上升高度△日也增加，有效源高增大，故最大浓度出现的距离ｘ眦。也越远．见图６。
４．４排烟温度的影响
保证烟气出口速度及风速不变，改变烟气出口温度，输入Ｆｌｕｅｎｔ算例，得到排烟温度丁ｈ。。对烟气扩散的影响。
由图７可以看出，烟气温度越高，烟气上升高度△Ｈ越大，
有效源高增加，各点浓度成比例减小，有利于烟气扩散．
２００２年２月
金颖，等：烟气扩散的ｃＦＤ数值模拟
２３
—————————————————————————————————————————————～—————————————————————一—————————————————————————————————————一
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田７量大浓度与烟蕾的美幂
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５结论
由本文分析可以看出，用Ｆｌｕｅｎｔ计算所得的烟气扩散与风
旦１
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ｊ
ｌ
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速、烟速、烟气掘度的关系与用正态分布假设下的统计规律一致。而且ｔＦｌｕｅｎｔ计算方便，便于对不同工况做比较，每次迭代约９０状可达到收敛。借助于计算机图形的强大功能，其显示效
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１５
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果更为直观、形象。
由于烟气扩散的复杂性，在实际情况中，地形起伏、障碍暂分布、大气温度层结以及周围环境的风速．温度随高度的变化，
圈５与风遮的关景
Ｆｉｇ．５
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都对其扩散有影响。因此本文模型在这些方面还有待完善。Ｒｅｆｅｎｎｃ盼（’考立ｔ）
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气仃染控制研究）［Ｄ］：［Ｍａ９ｔｅｒｔｋｓｌｓ］．ｓｈａ“ｇｈ缸：Ｔｏｎｇｊｉ
ｓ￡ｔｙ，２００１２
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ｗｅｎｑｕａｎ（冉文铨）Ｎ…Ⅱ』Ｈｃ４Ｉ７ｈｎ咖（敢值传热学）
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ｘｌｕｂａｏ（张秀宝），ＧａｏＷｅｌｓｈ。Ｉｌｇ（高伟生）ａｎｄＹｉⅡｇ
田６与蛔遵的关系
染概论）［Ｍ］．Ｂｅｌ】１１１９；ｃｈｉｍ
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Ｓｃｉ曲ｃｅ
Ｐ嗍，１９８９．
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烟气扩散的CFD数值模拟
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
金颖， 周伟国， 阮应君
同济大学热能工程系,上海200092安全与环境学报
JOURNAL OF SAFETY AND ENVIRONMENT2002,2(1)27次
参考文献(3条)
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引证文献(27条)
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9. 郑辉. 芮晓明. 常连生 袋式除尘设备气流分布的数值模拟[期刊论文]-现代电力 2005(3)
10. 李少华. 王坤玉. 李日勒. 郭婷婷. 白小元 袋式除尘器气流分布均匀性的数值模拟[期刊论文]-电站系统工程2009(2)
11. 罗挺. 许雅娟 山谷污染物扩散过程CFD并行计算方法的研究[期刊论文]-四川环境 2005(4)
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13. 刘霞. 葛新锋 FLUENT软件及其在我国的应用[期刊论文]-能源研究与利用 2003(2)
14. 时红梅. 郭婷婷 下进风袋式除尘器气流分布特性的数值模拟[期刊论文]-长春工程学院学报（自然科学版）2009(3)
15. 罗铭. 刘金凤. 杜特专. 刘兆荣. 白郁华 基于Fluent的多相模拟反应器的设计[期刊论文]-计算机与应用化学2007(9)
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20. 龙曼 基于FLUENT的旋流池数值模拟与优化研究[学位论文]硕士 2006
21. 马双忱. 王梦璇. 蔡晓彤. 费祥. 王婷芳 FLUENT在燃煤电厂大气污染控制领域的应用研究进展[期刊论文]-电力科技与环保 2011(6)
22. 罗铭. 刘金凤. 杜特专. 刘兆荣. 白郁华 基于Fluent的多相模拟反应器的设计[期刊论文]-计算机与应用化学2007(9)
23. 张文辉 链条润滑系统中润滑油滴速控制的仿真研究[学位论文]硕士 200524. 王晓珍 采掘工作面粉尘运动和分布规律的数值模拟研究[学位论文]硕士 200725. 周景伟 布袋除尘器在密相干塔烟气脱硫工艺中的应用研究[学位论文]硕士 200626. 肖国权 分解炉内伴有燃烧、化学反应的两相湍流流动的数值模拟[学位论文]硕士 200527. 何佳 半干法脱硫中布袋除尘器处理高浓度粉尘的研究和模拟[学位论文]硕士 2007
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_aqyhjxb200201006.aspx
第２卷第１期安全奥壤硬擎象
ｖ０１．２．Ｎｏ．１
２００２年２月
Ｊｏｕｒｎａｌ。ｆ
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ａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
Ｆｅｂ．２００２
文章编号：１００９６０９４（２００２）０１００２１０３
烟气扩散的ＣＦＤ数值模拟’
金颖周伟国
阮应君
（同济大学热能工程系，上拇ｚｏ００９２）
摘薹：运用商业ｃＦＤ软件Ｆ】删ｔ模拟计算小尺寸下的简单烟气扩散规律。将结果用正态分布嵌设下的高斯烟羽模型验证。证明该软
件模拟烟气扩散问题的可符性。
关■词：数值模拟｝计算流体力学；烟气扩散；浓度场
中田分类号：０３５
文献标识码：Ａ
物质ｆ的组分方程
１引盲
大气污染一直是人们关注的问题，特别是对于工矿、钢铁．詈（胁）＋去（脾ｍｒ）一一警他邶。
（４）
电厂等拥有大型燃烧设备的企业。研究烟气扩散的规律、控制其中‘，一÷（耋＋警），邱是由于化学反应而导致的物质生
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成或销毁率；５．一是由于疏散相及其他白定义的源项而导致的物（ｃｏｍｐｕｔａｔＩｏｎａｌ
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有其独特的优点：（１）研究成本低，周期短，（２）无实验仪器干扰｝（３）能获得完整的敷据；（４）能将计算情况在计算机屏幕上合物种的扩散系敷；ｓ“为紊流Ｓｃｈｍｉｄｔ敷茏。
形象地再现。本文用ｃＦＤ！目ｃ件Ｆｌｕｅｎｔ摸拟烟气的扩散问题。
３．２边界设置情况
２数值计算的几何模型
自然风人口（ａｈ）——ｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｌｅｔ（第一类）
烟囱出口（ｆｕｍｅ）——ｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｌｅｔ（第一类）
运用缩小实验尺寸模拟，空间尺寸为４．１５ｍ×３．２ｍ×２．
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ｍ，烟囱高度１．１７７ｍ，直径６５ｍｍ，轴心距左侧面０．８ｍ。
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差分格式及ｓＩＭＰＬＥ算法Ⅲ。
匕
４扩散规律的分析
圈ｌ几何模型
由于烟气的扩散规律与许多因素有关，根据由正态分布得ＦＩ｜ｌ
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出的高斯烟羽模型及其他相关理论，一般情况下，下风向某点
３数值计算的物理模型及边界物理参数
的浓度主要与烟气建度ｙｆ。ｍ（即排烟量，源强Ｇ）、风速ｙ…烟
３．１模型方程［１１（张■寰示式）
囱高度Ｈ及烟气温度Ｔ“咐有关。而烟囱的高度直接涉及到模型的几何尺寸。本文做了烟气速度、风速、烟气温度３个影响因
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素的研究，讨论烟囱轴向断面（ｄｉｓｐｌａｙ）、距地面１ｍ处（ｐｌａｎｅ—ｚｎ（警扎差）
＝１）浓度分布及距地面ｌｍ处轴心（１ｊｎｅ一１）最大浓度与不同因素的关系。分析内容有：（１）烟囱轴线断面的浓度分布｝（２）距地
一～Ｐ０茧卢（７１
丁ｏ）＋尸。ｇ
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浓度出现距离ｘ…
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４．】实用理论基砷
由正态分布假设下得出的高斯基本扩散方程”。
・收■日螺：２００１一ｌｏ—１５
作者前升：金额（１９７８一）．女，硪士讲究生。占Ｌ事燃气输配与应用研究
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２２
安垒舆擐境挚猕
第２卷第１期
｛ｅｘｐ［一气≠卜ｘ。［一等］｝㈣
当ｚ取定值时，在轴线上（Ｊ—ｏ），必然在某一距离。处出现浓度最大值。故类似的，参考地面的一些实用公式
在实体高度不变的情况下，有效源高只与烟气的上升高度△日有关。根据我国“制定地方大气污染排放标准的技术原则和方法”中给出的计算上升高度的△片公式．烟气的上升高度随烟气流速的增加而增加，随烟气温度的增加而增加。
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例，得到风速对烟气扩散的影响。２个工况的设置情况如表１。
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高架源的最大地面浓度通常是工矿企业烟囱排放必须考虑的因子，它的出现位置与烟囱设计和附近的平面布局有密切关系。式（７）中最大地面浓度与源高的平方成反比，即源高增大．地面浓度降低；而式（８）表明最大浓度出现位置随源高增加而变远。
有效源高Ｈ与烟囱的实体高度＾，和烟气的上升高度△Ｈ之和，即
Ｈ一＾，＋△Ｈ
（９）
不同风建下地面ｉｍ轴线竹敲度分布如图４所示。由围可以看出，风速越大，最大浓度出现的越远，浓度也越小，有利于
烟气的扩散。可由图５更清楚地看出。Ｘ～与风速基本成正比，而ｃ…与风速基本为反比关系。
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４．３烟气速度的影响
保证烟气出口温度即风速不变，改变烟气出口速度，输入ＦＩｕｅｎｔ算例，得到排烟速度（即排烟量）对烟气扩散的影响。
烟速越大，源强Ｇ越大，各点浓度值也正比例增大。同时．烟速越大，烟气上升高度△日也增加，有效源高增大，故最大浓度出现的距离ｘ眦。也越远．见图６。
４．４排烟温度的影响
保证烟气出口速度及风速不变，改变烟气出口温度，输入Ｆｌｕｅｎｔ算例，得到排烟温度丁ｈ。。对烟气扩散的影响。
由图７可以看出，烟气温度越高，烟气上升高度△Ｈ越大，
有效源高增加，各点浓度成比例减小，有利于烟气扩散．
２００２年２月
金颖，等：烟气扩散的ｃＦＤ数值模拟
２３
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５结论
由本文分析可以看出，用Ｆｌｕｅｎｔ计算所得的烟气扩散与风
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速、烟速、烟气掘度的关系与用正态分布假设下的统计规律一致。而且ｔＦｌｕｅｎｔ计算方便，便于对不同工况做比较，每次迭代约９０状可达到收敛。借助于计算机图形的强大功能，其显示效
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果更为直观、形象。
由于烟气扩散的复杂性，在实际情况中，地形起伏、障碍暂分布、大气温度层结以及周围环境的风速．温度随高度的变化，
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都对其扩散有影响。因此本文模型在这些方面还有待完善。Ｒｅｆｅｎｎｃ盼（’考立ｔ）
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烟气扩散的CFD数值模拟
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
金颖， 周伟国， 阮应君
同济大学热能工程系,上海200092安全与环境学报
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