BTM環(huán)境下的煙氣流動(dòng)可視化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇本躍，韓 笑

（1.安慶師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽安慶246133；2.銅陵學(xué)院，安徽銅陵244061）

當(dāng)今環(huán)保問(wèn)題日益嚴(yán)峻，煙氣污染已引起全球關(guān)注。對(duì)燃煤火電廠煙氣排出系統(tǒng)進(jìn)行改造是一種控制煙氣污染的重要舉措。改造方式有兩種：一種是將原煙氣排放系統(tǒng)直接按環(huán)保要求進(jìn)行改造；另一種是新建超低排放系統(tǒng)保證日常運(yùn)轉(zhuǎn)，將原有系統(tǒng)保留備用。由于改造項(xiàng)目受到施工場(chǎng)地的限制，新建煙囪位置的選擇就顯得尤其關(guān)鍵。有效利用施工空間，將各建筑物合理布局，直接影響工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。需要提出的是，一個(gè)地區(qū)常年風(fēng)向、風(fēng)速、溫度等因素直接影響煙氣流動(dòng)的狀態(tài)，如在寒冷地區(qū)，煙氣可能會(huì)形成固態(tài)（冰），對(duì)建（構(gòu)）筑物造成破壞性影響。因此，如果在設(shè)計(jì)階段就對(duì)煙氣流動(dòng)進(jìn)行可視化模擬分析，發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)修正，則會(huì)避免返工，節(jié)約成本。

建筑信息模型（BIM）是建設(shè)工程如建筑、道路、橋梁及其設(shè)施的物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)，這個(gè)工程數(shù)據(jù)平臺(tái)為工程各參建方提供了一個(gè)協(xié)調(diào)、開(kāi)放信息的溝通環(huán)境，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目相關(guān)方之間的數(shù)據(jù)互用。BIM技術(shù)具有面向?qū)ο蟆嗑S信息、支持開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)等特征[1]，其主要特點(diǎn)是可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性，可以根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[2]。近年來(lái)，BIM技術(shù)在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，典型的案例有北京的奧運(yùn)會(huì)主體育館“鳥(niǎo)巢”[3]。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于BIM的應(yīng)用主要有兩大方向：一是BIM的基礎(chǔ)概念方面，強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目管理，是一種理念上的研究；二是側(cè)重于施工階段，與Revit軟件結(jié)合，進(jìn)行碰撞檢查、管線綜合優(yōu)化、模擬施工等[4]。本文將二者結(jié)合，分析基于BIM決策過(guò)程中的潛在空間沖突，以某寒冷地區(qū)建筑信息模型的煙氣流動(dòng)可視化為例，將復(fù)雜的模型清晰化，給出解決方案。

1 可視化仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

針對(duì)寒冷地區(qū)（每年12月到次年3月為溫度驟降時(shí)間，平均溫度在-15℃以下，且冬季風(fēng)向較單一）火電廠煙氣超低排放系統(tǒng)的改造，采用新建方案，保留原有煙氣排放系統(tǒng)備用，新建一套煙氣排放系統(tǒng)。考慮鍋爐蒸發(fā)量、環(huán)保等要求，新建煙囪高度一般有所提升，受場(chǎng)地限制，新建煙囪下方需布置附屬設(shè)施。新舊煙囪存在高差，原系統(tǒng)啟用時(shí)，受風(fēng)向、溫度、日照等級(jí)等自然因素影響，若新建煙囪位置選擇不當(dāng)，新建煙囪外壁部分區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，因此新建煙囪位置的選擇十分重要。

通過(guò)BIM模型的建立，在工程施工之前，對(duì)建筑空間和相關(guān)設(shè)施仿真模擬檢查，以實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)上的視覺(jué)分析與探討[5]。利用動(dòng)態(tài)仿真效果，將更直接地看到建筑物實(shí)際完成后會(huì)產(chǎn)生何種問(wèn)題，了解未來(lái)工程的全貌及預(yù)計(jì)施工的過(guò)程，提前預(yù)防問(wèn)題的產(chǎn)生。圖1為可視化仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。

2 煙氣擴(kuò)散模型的構(gòu)建

2.1 煙囪有效高度的計(jì)算

假設(shè)原系統(tǒng)煙囪定義為原煙囪，原煙囪的高度相對(duì)較低，高度值記為Hs。新建系統(tǒng)煙囪定義為新煙囪，新煙囪在原煙囪下風(fēng)口，相距有一定距離，此距離即為本文要研究的安全距離。新煙囪高度為Hb且高于原煙囪，在風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫等自然條件一定的情況下，煙氣最小濃度滿(mǎn)足恰好可以使新煙囪外壁結(jié)冰。

煙囪有效高度H指煙囪排放煙氣距離地面的實(shí)際距離，它等于煙囪本身高度Hs與煙氣抬升高度ΔH的和[6]。ΔH在中性條件[6]下可由霍蘭德公式求出，即

其中，1.5與2.7為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值，us為煙囪排出口處的排煙速度，Ds為煙囪排出口的內(nèi)徑，u為煙囪口高度處的平均風(fēng)速，Ts為煙氣出口的溫度，Ta為大氣平均溫度。

2.2 正下風(fēng)口方向安全距離的計(jì)算

對(duì)于煙囪這類(lèi)高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式的模型，以高架源排放點(diǎn)在地面上的投影點(diǎn)作為原點(diǎn)，x為主風(fēng)向，y為橫風(fēng)向，z為垂直向，建立坐標(biāo)系，如圖2所示。

圖2 煙氣擴(kuò)散模式坐標(biāo)系

當(dāng)風(fēng)速穩(wěn)定且均勻、氣體源強(qiáng)均勻且連續(xù)、擴(kuò)散過(guò)程中煙氣質(zhì)量守恒時(shí)，利用高斯擴(kuò)散模型可以求得煙氣中任意一點(diǎn)的濃度[7]。本文研究的煙氣擴(kuò)散條件滿(mǎn)足高斯擴(kuò)散條件。對(duì)于高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式，煙氣中任意一點(diǎn)的煙氣濃度p(x,y,z,H)滿(mǎn)足：

其中，Q是單位時(shí)間排放的煙氣（源強(qiáng)），H是有效源排放高度（源高），σy是y方向上任一點(diǎn)煙氣分布曲線的標(biāo)準(zhǔn)偏差，即水平擴(kuò)散系數(shù)，σz是z方向上任一點(diǎn)煙氣分布曲線的標(biāo)準(zhǔn)偏差，即垂直擴(kuò)散系數(shù)，u是平均風(fēng)速。

假定煙氣流動(dòng)受風(fēng)向、風(fēng)速等自然因素影響到達(dá)新煙囪外壁時(shí)，滿(mǎn)足濃度不低于最小濃度ps時(shí)，新煙囪外壁恰好結(jié)冰。在已知源強(qiáng)、風(fēng)速、原煙囪高度、新煙囪高度等條件下，結(jié)合式（1）可求出煙囪的效高度H，繼而可得到關(guān)于σy和σz的非線性方程，這個(gè)方程的隱式表達(dá)為

式（3）無(wú)法直接求解出風(fēng)口方向的合適距離，但可以利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行求解。從事大氣擴(kuò)散研究的工作者在分析了大量的實(shí)驗(yàn)資料后，總結(jié)出煙氣擴(kuò)散系數(shù)與風(fēng)向距離x的關(guān)系式為：

其中，a、b、c、d是與大氣穩(wěn)定度有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

根據(jù)地面上10 m處的風(fēng)速、日照等級(jí)、陰云分布狀況及云量等氣象資料，可以確定穩(wěn)定度級(jí)別[8]，如表1所示。

表1 大氣穩(wěn)定度級(jí)別

平原地區(qū)農(nóng)村及城市遠(yuǎn)郊區(qū)的擴(kuò)散參數(shù)選取方法：A、B、C級(jí)穩(wěn)定度直接查P-G擴(kuò)散曲線冪函數(shù)[9]（表2）；D、E、F級(jí)穩(wěn)定度則需要向不穩(wěn)定方向提半級(jí)后再查。工業(yè)區(qū)或城區(qū)的擴(kuò)散參數(shù)選取方法：工業(yè)區(qū)A、B級(jí)不提級(jí)，C級(jí)提到B，D、E、F級(jí)向不穩(wěn)定方向提一級(jí)半再查表2。非工業(yè)區(qū)的城區(qū)A、B級(jí)不提級(jí)，C級(jí)提到B～C級(jí)，D、E、F級(jí)向不穩(wěn)定方向提一級(jí)。丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，其擴(kuò)散參數(shù)選取方法同城市工業(yè)區(qū)。

將σy(x),σz(x)代入式（3）中，得到x=f(Q,u,H,Hb,a,b,c,d,ps)。

根據(jù)上述模型分析及經(jīng)驗(yàn)公式，代入實(shí)例工程地點(diǎn)的具體參數(shù)值，在Matlab2016a中運(yùn)行，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，可求出下風(fēng)向距離x。

表2 P-G擴(kuò)散曲線冪函數(shù)（取樣時(shí)間0.5 h）

3 結(jié)果討論與分析

根據(jù)模型分析，在unity3d引擎中模擬煙囪排放煙氣的過(guò)程。不同的自然條件對(duì)煙氣的擴(kuò)散會(huì)造成不同的影響，在中性條件下，自然條件因素所浮動(dòng)的區(qū)間比較小。因此，在此條件相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下，模擬不同距離下兩煙囪外壁的結(jié)冰過(guò)程，見(jiàn)圖3～圖5，可見(jiàn)，煙囪外壁在此模擬過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷三個(gè)狀態(tài)，從未結(jié)冰（圖3）到剛好結(jié)冰（圖4），再到嚴(yán)重結(jié)冰（圖5），而剛好結(jié)冰的距離正是我們要求的安全距離。

圖3 新建煙囪外壁未結(jié)冰

圖4 新建煙囪外壁開(kāi)始結(jié)冰

圖5 新建煙囪外壁結(jié)冰嚴(yán)重

圖3表明自然因素對(duì)煙氣擴(kuò)散影響比較弱，兩煙囪距離為安全距離時(shí)，從煙氣的排放情況可以看到，煙氣此時(shí)未接觸到新煙囪，因此新煙囪表面不會(huì)結(jié)冰。圖4表明當(dāng)兩煙囪的距離進(jìn)一步縮小，達(dá)到臨界距離的時(shí)候，煙囪僅僅開(kāi)始結(jié)冰。圖5表明新煙囪與原煙囪的距離較近時(shí)，新煙囪受影響的外表面積更大，此時(shí)結(jié)冰很?chē)?yán)重。

自然因素參數(shù)的調(diào)整可以通過(guò)界面左邊的滑動(dòng)條來(lái)實(shí)現(xiàn)，點(diǎn)擊“確定”按鈕，煙氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以實(shí)時(shí)產(chǎn)生變化，同時(shí)，煙氣的抬升高度也可以實(shí)時(shí)顯示在左下角輸出框內(nèi)。以上結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 可視化模擬結(jié)果對(duì)比

通過(guò)對(duì)煙氣擴(kuò)散模型的構(gòu)建及煙氣流動(dòng)可視化的模擬，可以清晰地找到距離原煙囪最適合距離的新煙囪的位置。當(dāng)然，大于這個(gè)距離也不會(huì)出現(xiàn)煙囪外壁結(jié)冰這種問(wèn)題，但卻會(huì)造成施工場(chǎng)地資源的浪費(fèi)。這種在可視化環(huán)境下模擬運(yùn)行、實(shí)時(shí)糾偏的設(shè)計(jì)是向量圖像構(gòu)圖時(shí)代無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。