烟囱污染物扩散的组分传递课程报告
摘要
本报告基于 ANSYS Fluent 软件，针对烟囱污染物扩散过程开展组分传递模型模拟。通过构建二维计算区域，结合湍流模型与组分输运方程，分析了烟气在大气环境中的扩散特性。研究结果表明：烟气扩散受浮力与湍流作用共同影响，温度与速度分布呈现典型的浮力驱动流动特征，污染物质量分数随扩散距离逐渐衰减并满足收敛标准。本研究为工业烟囱污染物扩散预测提供了数值模拟方法参考。
理论基础
（1）连续性方程描述流体质量守恒：
其中， ρ 为密度， 为速度矢量。
（2）组分输运方程,考虑对流、扩散与反应的组分浓度变化：
,式中， 为组分i的质量分数， 为扩散系数， 为反应源项。本研究中忽略化学反应， 。
（3）湍流模型 采用标准 k-ε 模型描述湍流流动，其控制方程为：
①湍动能k方程
② 湍流耗散率ε方程
其中， 为湍流粘度， 为平均流动引起的湍动能生成项，模型常数 ， 。
建模与模拟过程
（1） 几何模型构建
计算区域设计：在 DesignModeler 中创建 平面草图，环境矩形尺寸为10m×20m，烟囱矩形为5m×7m；烟囱距环境边界5m，通过布尔剪切操作生成环形计算区域。
物理意义：环境区域尺寸设置需满足 “远场条件”，即边界对烟囱排放流场的影响可忽略，通常取烟囱直径的 10-20 倍
（2） 网格划分
网格参数： 单元尺寸设为 500mm ，启用自由网格生成； 边界层网格采用膨胀法，确保壁面函数适用性（ y + ≈30−300）。网格质量验证： 网格扭曲率（Skewness）<0.85，满足 CFD 计算要求
（3）边界条件与求解设置
边界命名：烟筒上边线命名为"inlet-smoke"（烟⽓⼊⼝） 左侧边线命名为"inlet-air"（空⽓⼊⼝） 上边线和右边线命名为"outlet" 其余边界命名为"wall"
精度选择：采⽤双精度(Double Precision)计算模式
求解器类型：压⼒基(Pressure-Based)求解器。
时间设置：瞬态(Transient)分析，激活重⼒加速度，Y⽅向设为 − 9.81m / s2。
单位设置：温度单位设为摄⽒度( ∘ C)。
湍流模型：选择k-epsilon(2 eqn)模型，采⽤标准壁⾯函数。
模型类型：启⽤组分输运模型(Species Transport)，组分数设为3（smoke、 ）。
扩散设置：勾选"扩散能量源项"和"完整的多组份扩散"选项。
结果与分析
（1）温度分布特性
现象：烟囱出口温度600，随扩散距离增加逐渐降低，距出口10m处降至约100
理论解释：温度衰减由热对流与热扩散共同作用，符合能量方程中的对流 - 扩散项主导机制。浮力效应使高温烟气向上抬升，形成 “羽流” 扩散形态。
（2） 速度场分析
特征：烟囱出口最大速度6.63m/s，随扩散距离衰减至环境边界处 <1m/s，流场呈现典型的 “射流 - 卷吸” 结构
动力学机制：出口高速烟气卷吸周围空气，导致速度衰减；浮力作用使垂直方向速度分量增大，形成向上的动量输运。
（3） 烟气扩散规律
质量分数分布：烟囱出口处 smoke 质量分数为 1.0，扩散至环境右边界时降至 0.05 以下，呈现对称高斯分布特征。
理论验证：扩散形态符合湍流扩散的 “梯度输送理论”，即质量分数梯度与扩散通量成正比，满足 Fick 第二定律
（4） 收敛性验证
残差曲线：连续性方程残差 <10−3 ，能量方程残差<10 −6，各组分方程残差 <10 −3，满足工程计算收敛标准
数值稳定性：SIMPLEC 算法与 Body Force Weighted 压力离散格式的组合，有效抑制了浮力流计算中的压力 - 速度耦合振荡。
