煤尘飞散的空气动力学
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第175页（3328字）
煤尘是一种颗粒状污染物，它来自矿山、洗煤厂、炼钢厂、动力厂以及煤码头煤堆场。
由于露天煤场的投资最小，而被矿山和港务局优先选用，故煤粉尘常被风蚀吹散在大气中。煤堆和矿料中粉尘含量大约有15%左右，据估计全球被风吹起排入大气中的粉尘每年有2～3亿吨之多，更为严重的是这些被风蚀流散的粉尘中，又有10%左右常年飘浮于空气，对人体健康的危害比烟囱排放有毒气体的污染更为严重。风吹堆料有为数可观的起尘量，煤的装卸、煤场汽车扬尘所引起的粉尘量更多。矿料、石灰、水泥、木屑、谷物堆场以及它们的运输装卸都有同样的问题。
如何预报和控制粉尘的起尘与扩散，并掌握其起尘和扩散规律的研究，具有重要的经济意义和社会意义。
导致煤尘从堆场迁移的空气动力学的机理十分复杂，至今人们对它的认识所知甚少。
风洞模拟试验仍是获得煤粒起尘量比较可靠资料的唯一方法。近10～20年来，一些工业发达国家，根据实际环境评价或控制煤尘飞散的实际问题的需要，开展了一些风洞试验研究，获得一些有关起尘风速、起尘量计算公式等等，但都不具有通用性或普遍性意义。影响煤的起尘因素很多，主要有煤的品种、煤的含水量、煤的粒径分布谱、煤堆外形及其排列和高度、风速大小和风向、风的湍流特性、周围地形影响等等。在做缩小模型的粉尘风洞试验时，甚至连大气湿度的些微变化，也会严重影响到煤的起尘量。即使其他条件相同，新老煤堆的起尘量也有显着差别，这就是说起尘量与风吹持续时间有密切关系。这些年来，世界各国虽然都开展了一些煤粉尘的风洞试验研究，但作为模型试验理论基础的相似律仍十分模糊，也无一致的结论。
特别是对煤炭运输作业动态装卸过程中的煤尘飞散的风洞模拟试验，对其相似律的研究则更为缺乏。
煤尘起尘后在大气中的迁移扩散规律研究，可作为一个更广泛的论题，即固体颗粒在流体中悬浮的二相流动问题来讨论。Crowe(1982)对稀释气固流数值模型所作的评述，可使我们较全面地了解处理气固两相流问题的有关理论和方法。
自从Sutton(1932)提出高斯烟羽模式以来，通过Pasquill(1961)等对其扩散参数的研究，被广泛应用于烟羽在大气中扩散预报。
由于高斯烟羽模式简单易行，并可推广到多点源、线源和面源的扩散计算，许多环境评价部门也用来对煤尘在大气中扩散的预测。而高斯模式是在许多假定下获得的，这些假定有：污染源发射率为常数，湍流扩散过程是定常均匀的，地面平坦且地面对污染物认为具有全反射性质等等。
将高斯模式的应用条件与实际情况相比较，往往存在颇大差别，特别是对煤尘的扩散预报，在缺乏相应的扩散参数的数据时，借用大气扩散参数作计算是一个不恰当问题。
自20世纪70年代以来，由于计算机的发展，在先期由Lamb和Seinfeld(1973)等开展了另一种直接求解经典的对流扩散浓度方程的所谓K理论计算方式，用来预报烟羽尘埃在大气中迁移扩散分布。
通过利用浓度方程和代表大气流场的N-S方程联立求解，还可以获得复杂地形浓度分布扩散规律，这个方法已呈现十分良好的应用前景。对于浓度方程中扩散系数K值，虽然通过Yaglom(1976)等对大气扩散现象的测定，已有一些可利用的数据，但它们还不适用于在大气中存在大湍流涡出现的计算。
另外，K理论需要很大计算机时，尚不便于实际应用。
另一种以泰勒(1921)的湍流扩散理论为根据的拉格朗日粒子方法，在80年代前后，通过一些学者(如Watson & Barr，1976；Lange，1978；Hanna，1979；Lamb等人，1979Gifford，1982)应用于研究粒子在大气中迁移扩散的计算以来，现已能成功地预测污染物在均匀和非均匀湍流中浓度分布。
这个方法是通过一组特定数量的粒子来代表污染源的发射量，它们在大气中迁移，由于需要考虑粒子在大气中跟随性和气流脉动的影响，通常是由统计方法(即Monte-Carlo方法)求解。为检验重粒子在气流中弥散分布计算结果的真实性，Snyder和Lumley(1971)所给出的试验数据，对开展这一领域的研究具有重要意义。
Chen和Crowe(1984)就用Monte-Carlo方法模拟了重粒子在湍流中扩散，但他们没有涉及粒子与气流运动相关性。Lee(1986)也用Monte-Carlo方法模拟粒子在大气中湍流扩散，而没有涉及有重量粒子的扩散问题。
进一步的研究有Thomson(1987)，Luhar和Britter(1989)以及新近Elghobash和Trueselell(1992)对粒子运动的直接解法。武汉水运工程学院的煤粉尘扩散规律研究小组，结合煤尘扩散预报曾发表应用Monte-Carlo方法的数值解和解析解联合计算方法，有一定参考价值。
当前，进一步研究的热点主要有：(1)对煤堆场风吹起尘量的确定和计算，用风洞模拟仍是唯一可靠的方法。风洞试验测量精度及换算修正方法需深入探讨，各种影响因素特别是新老煤堆的起尘量预报，尚有很多工作要做。
(2)对煤炭输运和装卸作业的一些动态过程中，风吹飞散的煤尘预测，风洞模拟试验的相似律和建立必要的修正方法的探讨，应有希望获得更好解决。(3)在起尘机理研究方面，包括粒子间附着力的计算等，以推进用理论方法计算煤堆的起尘风速和起尘量的研究，并将有助于提出各种更有效的防止起尘的方法和措施。
(4)用粒子方法预报煤尘在大气中扩散分布是一种自然的方法，近期内仍将继续获得发展。应用这种方法，需要有大气边界层的测量资料，才能使计算中需要的气象资料输入(速度的脉动值和拉格朗日自相关函数等等)更符合实际测量值。
(5)对煤场特别是大型煤堆场的煤尘飞散问题，根据现有资料世界各国正在开展空气动力学软件的研制，使之能随时预报堆场附近几百平方千米范围内被煤粉尘污染浓度分布情况，便于有关主管部门能及时作出环境治理决策或限制措施，以造福于人民。
。【参考文献】：1 Snyder WH,Lumley J L.J Fluid Mech, 1971,148(1): 41～ 71
2 Lamb RG,Seinfeld J H. Environ. Sci Technol, 1973,7:253 ～261
3 Gifford FA. Atmospheric Environment, 1982,16(3): 505～ 512
4 Chen P P,Crows C T. Gas Solid Flows, FED, 1984,10:37 ～ 41
5 Lee J T,Stone G L. Atmo Envi, 1986,20(11):2185～2197
6 Thomson O J. J Fluid Mech, 1987,180:529～556
7 王献孚．气动实验与测量控制，1989，3(2)∶53～58
8 章社生，王献孚．武汉水运工程学院学报，1989，13(3)∶43～53
9 王献孚，楼宇娟．气动实验与测量控制，1990，4(2)∶30～35
10 Elghobashi S，Trueselell G C．J Fluid Mech，1992，242∶655～700
(武汉交通科技大学王献孚教授撰)