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大氣擴散 Dispersion

大氣擴散 Dispersion. 外洩物質將在大氣中擴散，進而影響更廣大地區的民眾 ( 此現象在污染物擴散時亦同 ) 所以必須瞭解擴散的模式 (dispersion model) ，以便評估受影響的地區及範圍，程度。更進而 擬定緊急應變疏散 等計畫。 影響擴散的主要因素 : * 紊流 (turbulence) 與 大氣穩定度 (atmospheric stability) * 風速與風向 * 釋放高度，釋放動力以及浮力. Plume model: 連續的穩定釋放 ; Puff model: 一次的立即釋放.

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大氣擴散 Dispersion

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  1. 大氣擴散 Dispersion • 外洩物質將在大氣中擴散，進而影響更廣大地區的民眾 (此現象在污染物擴散時亦同) • 所以必須瞭解擴散的模式(dispersion model)，以便評估受影響的地區及範圍，程度。更進而擬定緊急應變疏散等計畫。 • 影響擴散的主要因素: * 紊流(turbulence)與大氣穩定度(atmospheric stability) * 風速與風向 * 釋放高度，釋放動力以及浮力

  2. Plume model: 連續的穩定釋放; Puff model: 一次的立即釋放 欲充分掌握狀況，吾人必須有source model + dispersion model  effect

  3. 大氣穩定度 • 紊流產生: 強制對流 (受地形地物影響)，熱對流 (受溫度分佈影響，垂直方向) • Adiabatic lapse rate: 大氣溫度自然隨高度而降低的速率，約為10oC/1 km; 分為dry ALR or wet ALR (考慮濕度或不考慮濕度，含濕度效應時，降溫稍小約為6oC/km); 來自 dT/dz = - g/Cp關係式 • 自然界的溫降情形，也會因為早晚而不一樣。

  4. 實際大氣溫度會有許多狀況，例如negative lapse rate (不降反升inversion逆轉); super-adiabatic lapse rate (降得更快)等

  5. 大氣穩定性討論 • 簡單的說，就是熱漲(往上升)冷縮(往下降)的效應。應該屬於氣象學的一部份。 • 不穩定狀態: 會造成垂直方向的混合，煙囪排放的污染物容易接近地面，影響民眾健康 • 如果外洩氣雲的密度遠高於空氣，則一般的大氣穩定度對此氣雲的影響，會降低。(重力效應增強 or negative buoyancy)

  6. Pasquill’s Stability Categories • 取自Marshall, 1987，內容為針對大氣穩定性的分類 • category 典型風速 描 述 lapse rate • A 1 m/sec 大晴天無雲 >>>  • B 2 晴天溫暖 >>  • C 5 白天偶雲 >  • D 5 夜晚或多雲日  • E 3 夜晚部份雲 <  • F 2 晴空的夜晚 negative • A 最不穩定的大氣狀態(容易擴散); F 最穩定的狀態 •  dry adiabatic lapse rate (DALR)

  7. Pasquill-Gifford Dispersion Model 風速(m/s) 白天日照 晚上雲層 強烈 中等 輕微 多雲 晴朗 <2 A A-B B 2-3 A-B B C E F 3-5 B B-C C D E 5-6 C C-D D D D >6 C D D D D 取自Marshall, 1987; A –極不穩定; B - 不穩定; C –稍不穩定; D –中性穩定; E –穩定; F –極穩定

  8. 實際的降溫速率與ALR相比，會產生不同的大氣穩定效果實際的降溫速率與ALR相比，會產生不同的大氣穩定效果

  9. 有效高度的問題 • 地面濃度是我們主要關心的數據，但排放點高度會影響該數值，而排放時的條件: I.e. 動量及浮力(溫度效應)，會有影響。 • H = h + h (h: 真實高度; h 增加的有效高度) where h = us d/u [1.5 + (2.68x10-3 P T d/Ts] Holland equation us = 釋放口速度 9m/sec); u = 風速 d = 釋放口內徑 P 大氣壓(mBar) T = 氣團與大氣溫度差 Ts = 氣團溫度 oK

  10. 表達風向，風速的玫瑰圖。風速多半遵循下列經驗式: uz = u10 (z/10)n n 經驗值，0.07 – 0.6間

  11. 重質氣雲 • Heavy gases or dense gases; 其密度比空氣大，所以容易掉落到地面附近，對人類的影響比較大。 • 氣雲形成的機制有許多種，都很複雜:  例如蒸汽自容器內噴出，與周遭空氣混合形成  高壓儲存的過熱液體 (I.e. 大於其沸點), 外洩後，一部份蒸發而形成  冷凍高壓液體外洩後，吸熱蒸發形成  擴散過程: (a) initial phase(階段): 由氣雲本身的慣性力主導; (b) gravity-spreading phase: 此時也開始稀釋作用; (c) passive phase: 由大氣本身的穩流決定

  12. 擴散的數學模式 • 發展得日益完備，也有商用軟體出現。實際應用時，邊界條件/啟始條件的描述與掌握，仍然困難，將影響模擬結果的準確性。 • C/t + u C/x = (Kx C/x)/x + (Ky C/y)/y + (Kz c/z)/z • 例如point source, continuous release: C(x,y,z,H) = Q/[4  x(Ky Ky) 1/2] exp-[y2 u/(4 Ky x] {exp-[(z-H)2 u/4 Kz x] + exp-[(z+H)2 u/4Kz x]} (x: 風向方向; y 水平方向; z 高度方向)  也有一些簡易的模式

  13. Release Mitigation Approaches • early detection and warning: detector, or by personnel • counter-measurements: water spray, water curtain, steam curtain, air curtain, deliberate ignition, air dilution, foams • emergency response: on-site communication, emergency shutdown, site evacuation, safety havens, personal protection equipment, medical treatment, (plan, procedure, training, drill)

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