煙流下洗現象

煙流下洗現象、模擬與限制

污染源附近建築物造成煙流擴散行為的改變非常劇烈，煙流中心向下移動造成地面嚴重燻煙，稱之為Plume Downwash煙流下洗。

• 煙流擴散行為受到附近大氣紊流及渦流影響甚劇，而渦流的產生，除了垂直溫度梯度的熱力紊流之外，就屬氣流受到阻體所產生的機械紊流(渦流)最為嚴重
• 污染源附近最重要的阻體即是煙囪本身，以及鄰近的煙囪、廠房設備、建築物等等。
• 2維圖示如下：

煙流的煙囪頂下洗、建築物下洗現象(Kukkonen 1997)

建築物尾流

| | |:–:| | 建築物阻體在大氣氣流中所造成的擾動及渦漩(Hosker, R. 1984 in Atmospheric science and power production)|

• 其現象、原因及模擬、可以參考下列視頻及文章
  • FDS Simulation
    • FDS是個微尺度、大渦流紊流模式，除了模擬室內火災、空品之外，戶外情況下之煙流細部行為特色亦能有所掌握。
    • 視頻中以FDS模擬穩定大氣情況、建築物頂部排放的三維煙流行為。
  • Plume characteristics for three different stack scenarios
    • 在模式無法預期的特殊條件，風洞模擬試驗是一個直觀的解決方案。這個英文旁白的視頻介紹了大致上風洞模擬煙流在格柵狀與實心建築物尾流的行為、以及模式高估的可能性。
  • www.cppwind.com：Building Downwash – Problems, Solutions and Next Generation
    • 這篇CPP wind(Cermak Peterka Petersen, Inc)公司2015年的研討會論文，檢討了多孔(鏤空)建築物、流線形、極寬或極長建築物的尾流效應。
  • BREEZE AERMOD 7: Gridded Plume Downwash
    • 這是一家商用軟體(BREEZE AERMOD)的介紹短片，雖然是模式輸出的結果，卻也可以略略描繪煙流受到建築物尾流影響的推估概念。

AQ Simulation Scheme: Plume Rise Model Enhancements (PRIME & PRIME2)

受建物尾流影響的煙流與未受影響煙流側面分布之比較(Schulman et al. 2000)，空腔區渦流將煙流質心向下移動，其影響隨下游距離減少

PRIME及PRIME2對紊流空間性質之概念比較(Petersen and Guerra 2018)，上：PRIME的概念圖，簡單、尚有未交代區域。下：PRIME2，增加漸變段、按實際情況減少紊流增強區之範圍

PRIME及PRIME2之比較(Petersen and Guerra 2018)，上：上視圖，BPIP前處理之簡化作法與實際寬幅建物。下：BPIP與PRIME的側面分區概念與實際之差異。

模式模擬方式

1. 使用BPIPPRM進行前處理
   • 將複雜的建築物平面座標系統予以簡化
   • 解析出以煙囪為中心、36個方位建築物的長、寬、高
2. 進行AERMOD/PRIME或ISC/PRIME等煙流模式模擬
3. 模擬方式細節、範例、遠端執行系統詳建築物煙流下洗現象之模擬設定

建築物下洗模擬的官方立場

• USEPA, Issues Related to Building Downwash in AERMOD, www.epa.gov, downwash_overview_white_paper, 05-13-2019.
  • BPIPPRM-AERMOD模式系統係2005年架構
  • 依據近年研究結論，目前適用情況：
    • 實心、矩形、單一高度(無樓裙)之建築物
    • 過寬、過長、流線、鏤空建築物有可能造成嚴重高/低估
    • 短時間的模擬(如NO₂小時值)差異會更大
• 近年發現(AERMOD/PRIME低估情況)
  • Olesen, et al., 2009指出1.5倍建物高的煙囪在超寬建物尾流效應中AERMOD/PRIME將造成嚴重低估。
  • Perry, et al., 2016在這項EPA委託的風洞模擬計畫中發現AERMOD對於煙流質量的散布傾向高估、對於煙流有效高隨下游距離的降低斜率也傾向低估(將會有較高的煙流中心高度)、因此對地面最大濃度值造成低估
• Building Downwash Alpha Options in AERMOD, www.epa.gov, downwash_alpha_options_white_paper, 05-13-2019

煙囪頂下洗現象及模擬

• 風速越大、煙囪越粗、非流線形煙囪，下洗越嚴重
• 煙氣越熱、出口速度越大、受下洗現象影響越少，然能源浪費越大。
• 法規應用之煙流模式：須開啟煙囪頂下洗計算，以得到較保守結果。
• 風洞模擬個案：Cochran, B.(2003). A Case Study for the U.C. Davis Robert Mondavi Institute for Wine and Food Sciences. Presented at the Labs for the 21st Century Century, International Institude for Sustainable Laboratories, Adams Mark Hotel Denver, CO, p. 19.

煙囪頂下洗現象之概念圖與尺寸定義(Cochran, B. 2003)，ASHRAE 2003為美國加熱協會有關加熱通風空調之應用規範手冊

• 經風洞模擬研究發現：規範之煙氣速過於嚴苛、有能源浪費之可能。

個案煙囪與建物實體與模型(Cochran, B. 2003)

個案煙囪高度、風量與最大落地濃度(Cochran, B. 2003)

Reference

• American Society of Heating(2003), 2003 ASHRAE HANDBOOK : Heating, Ventilating, and Air-Conditioning Applications : Inch-Pound Edition (2003 ASHRAE HANDBOOK: HVAC Applications : I-P Edition)
• Cochran, B.(2003). A Case Study for the U.C. Davis Robert Mondavi Institute for Wine and Food Sciences. Presented at the Labs for the 21st Century Century, International Institude for Sustainable Laboratories, Adams Mark Hotel Denver, CO, p. 19.
• Hosker, R. (1984) Flow and diffusion near obstacles in Atmospheric Science and Power Production, Ch. 7, DOE/TIC-27601.
• Kukkonen, J. (1997). A DISPERSION MODELLING SYSTEM FOR URBAN AIR POLLUTION. Finnish Meteorological Institute, Helsinki, Finland.
• Olesen, H.R., Berkowicz, R., Ketzel, M., Lofstrom, P. (2009). Validation of OML, AERMOD/PRIME and MISKAM using the Thompson wind tunnel data set for simple stack-building configurations. Boundary-Layer Meteorol. 131, 73-83.
• Perry, S.G., Heist, D.K., Brouwer, L.H., Monbureau, E.M., and L.A. Brixley (2016). Characterization of pollutant dispersion near elongated buildings based on wind tunnel simulations, Atmospheric Environment, Vol. 42, 286-295.
• Petersen, R. L. and Guerra, S. A., (2018). PRIME2: Development and evaluation of improved building downwash algorithms for rectangular and streamlined structures. Atmospheric Environment, 173, 67-78.
• Randerson, D. (1984). Atmospheric science and power production (No. DOE/TIC-27601). USDOE Technical Information Center, Oak Ridge, TN.
• Schulman, L.L., Strimaitis, D.G., and Scire, J.S. (2000). Development and Evaluation of the PRIME Plume Rise and Building Downwash Model. Journal of the Air & Waste Management Association 50 (3):378–390. doi:10.1080/10473289.2000.10464017.
• USEPA (2019), Building Downwash Alpha Options in AERMOD, www.epa.gov, downwash_alpha_options_white_paper, 05-13-2019
• USEPA(2021), Issues Related to Building Downwash in AERMOD, 2021,01