开放性露天堆场扬尘规律及抑尘措施研究

摘要

有关数据显示表明:颗粒物污染是导致中国空气污染的首要因素.目前国内在大气污染的治理中,从技术上讲有组织排放在控制技术上已成熟,而对于露天堆料场这样的开放性、无组织尘源的排放控制尚未进行系统地研究,加之对控制扬尘污染的紧迫性和重要性认识不足,使得这类排放源所引起的扬尘长期处于失控状况,很难采取有效的防治措施.基于目前此项研究尚处于空白领域的背景下,该文以大型露天原料堆场为例,采取实验、理论并举的方法对颗粒物扬尘浓度和抑尘措施展开相关基础研究,以期得到对此类无组织尘源治理中具有指导性、普适性的结论供实际工作参考.该文的主要工作由两部分组成:一是开放性尘源扬尘浓度的分析.在此研究中,首先对该地区近地面层的气象状况进行了实地观测,并将6个多月的实测结果依据气象学有关原理整理出近层面的湍流结构特征值和大气扩散系数;之后在风洞中测定出尘粒的起动风速值和尘源强度.利用颗粒随机轨道模型计算了不同粒径的颗粒群风力起动后在空中运动的轨迹,并结合PISC算法计算了起动尘粒在不同风速、扩散条件下的扬尘量,从而确定出这些尘粒对颗粒物污染总量的分担和贡献以及影响状况.主要成果为:一是把起动风速的相关理论引入尘粒防治中,并通过实验方法的测定,确定了防护的基本思想;二是以实验测定的数据为基础,首次通过气-固理论的方法了得到颗粒群起后的扬尘浓度分布,这不同与以往的针对相同粒径的情况,同时计算结果也得到了现场观测的证实.该文的第二部分是抑尘措施的研究.遵循了湿法抑尘和干法防尘的思路,首先进行了不同浓度配比下的化学抑尘剂在渗透性、吸(放)湿性、耐高(低)温、抗风力等方面的性能实验.为进一步研究抑尘层在自然外力作用下的使用效果,在采用实验方法确定出抑尘硬膜的材料属性之后,理论计算了硬膜的应力强度分布和变形情况,得到了与实际情况互为补充的结论.在干法防尘措施中,将围挡钝体和防护林带作为围挡手段引入防尘工程中,采用数值模拟的方法对其防护效果进行论证.在钝体防护中,通过湍流动能场、压力场和尘粒堆料表面摩擦力比较后,确定出将钝体设置在上风向时防护效果较好.在防护林带防风效应研究中,建立了林带流场的高阶动力模型,并在正交实验法的安排下比较了代表81种工况27种林带结构下的防护效果,得出了最佳防护效果下的林带结构参数配置,为此林带的建设提供技术支持.这部分的主要成果为:一是首次建立了抑尘硬膜的力学模型,计算出硬膜在自然风力、雨力作用下的力学强度,可进一步从理论上评价抑尘剂的使用性能.这是以往在讨论抑尘剂性能时,所没有涉及到的领域.二是在治理措施上引入了一些新的方法,即将围挡钝体和防护林带作为围挡的手段引入防尘工程中,并对其中的技术问题作了有益的探索.一方面丰富和拓展了治理工作的思路,另一方面为这种无组织尘源的排放控制提供了有益借鉴.该文首次以开放性露天堆场的扬尘问题为研究对象,使用了现场观测、实验研究和理论分析的方法,对其污染问题进行了三年多的探索,确定了这类颗粒物的污染范围、浓度分布以及所能采取的措施,为此类污染问题的治理奠定了基础.

目录

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符号表

第一章绪论

1.1研究的目的和意义

1.2开放性尘源的研究现状

1.2.1颗粒受力起动规律的研究现状

1.2.2开放性尘源强度的研究

1.2.3颗粒流运动理论发展现状

1.3开放性尘源控制方法的研究现状

1.3.1化学抑尘剂抑尘性能的研究现状

1.3.2防护工程的研究现状

1.3.3防风林带防风效应的研究现状

1.4本文的主要研究内容

参考文献

第二章大气边界层的湍流结构特征和扩散系数的确定

2.1大气湍流特征

2.1.1现场观测资料的采集

2.1.2数据的处理方法

2.2大气湍流特征分析

2.2.1风速、风向的测定

2.2.2湍流强度的测定

2.2.3湍强与下垫面粗糙度的关系

2.2.4无量纲风速分量标准差

2.2.5自相关系数与湍流积分尺度

2.2.6湍谱分析

2.3大气扩散参数的确定

2.3.1常用的大气扩散模式

2.3.2扩散系数的确定

2.4本章小结

参考文献

第三章尘粒起动的实验研究与扬尘量分析

3.1尘粒的特性分析

3.2尘粒起动风速的实验测定

3.2.1尘粒起动标准的确定

3.2.2尘粒起动风速的测定

3.2.3尘源强度的测定

3.3起动尘粒运动轨迹的数值模拟

3.3.1气流-颗粒双向耦合的PSIC算法

3.3.2颗粒运动方程

3.3.3颗粒随机轨道模型

3.3.4边界条件的设置

3.4尘粒浓度场的计算与分析

3.4.1各种尘粒的飞扬影响范围

3.4.2尘降物的地面污染浓度分析

3.5本章小结

参考文献

第四章抑尘剂性能的实验研究和应力强度分析

4.1湿法防尘概述

4.2抑尘剂化学性能的测定

4.2.1抑尘剂的元素分析

4.2.2抑尘剂表面张力的测定

4.2.3渗透性和膜层表干实验

4.3抑尘剂抑尘性能的测定

4.3.1吸湿放湿试验

4.3.2抗温试验

4.3.3风洞抗风试验

4.3.4人工降雨试验

4.3.5无侧限抗压强度实验

4.4抑尘层的应力强度计算

4.4.1硬膜材料属性的确定

4.4.2计算模型的受力分析

4.4.3用有限元法求解应力方程

4.4.4计算结果显示与分析

4.5抑尘剂的经济性分析

4.6本章小结

参考文献

第五章围挡钝体防护效应的研究

5.1近地面层内的钝体绕流

5.2钝体流场的计算

5.2.1计算模型的确定

5.2.2流场边界条件的确定

5.2.3计算结果分析和防护区域的确定

5.3大气因子对防护效果的影响

5.3.1模拟工况的确定

5.3.2结果指标的确定

5.3.3模拟结果分析

5.4围挡钝体的防护效果分析

5.5本章小结

参考文献

第六章防护林带防风效应的研究

6.1林带动力效应的数学模型

6.1.1林带-气流的相平均处理

6.1.2气流穿过林带的控制方程

6.1.3控制方程的封闭与参数化方法

6.1.4气-叶阻力系数Cd的确定

6.1.5树木计算模型化

6.2计算结果分析

6.3防护林带防风效应研究

6.3.1计算工况安排

6.3.2数值计算的结果分析

6.4防护林带——粉尘颗粒的天然蓄积库

6.5本章小结

参考文献

第七章结论与展望

7.1开放性尘源抑尘措施的思考

7.2本文的主要结论

7.3本文的主要创新点

7.4对未来工作的展望

附录

博士期间发表的论文情况

致谢