BTM环境下的烟气流动可视化设计与实现

苏本跃，韩 笑

（1.安庆师范大学计算机与信息学院，安徽安庆246133；2.铜陵学院，安徽铜陵244061）

当今环保问题日益严峻，烟气污染已引起全球关注。对燃煤火电厂烟气排出系统进行改造是一种控制烟气污染的重要举措。改造方式有两种：一种是将原烟气排放系统直接按环保要求进行改造；另一种是新建超低排放系统保证日常运转，将原有系统保留备用。由于改造项目受到施工场地的限制，新建烟囱位置的选择就显得尤其关键。有效利用施工空间，将各建筑物合理布局，直接影响工程项目的经济价值。需要提出的是，一个地区常年风向、风速、温度等因素直接影响烟气流动的状态，如在寒冷地区，烟气可能会形成固态（冰），对建（构）筑物造成破坏性影响。因此，如果在设计阶段就对烟气流动进行可视化模拟分析，发现缺陷及时修正，则会避免返工，节约成本。

建筑信息模型（BIM）是建设工程如建筑、道路、桥梁及其设施的物理和功能特性的数字表达，这个工程数据平台为工程各参建方提供了一个协调、开放信息的沟通环境，实现项目相关方之间的数据互用。BIM技术具有面向对象、包含多维信息、支持开放标准等特征[1]，其主要特点是可视化、协调性、模拟性，可以根据模拟结果优化设计方案[2]。近年来，BIM技术在我国建筑工程领域得到广泛应用，典型的案例有北京的奥运会主体育馆“鸟巢”[3]。目前国内关于BIM的应用主要有两大方向：一是BIM的基础概念方面，强调项目管理，是一种理念上的研究；二是侧重于施工阶段，与Revit软件结合，进行碰撞检查、管线综合优化、模拟施工等[4]。本文将二者结合，分析基于BIM决策过程中的潜在空间冲突，以某寒冷地区建筑信息模型的烟气流动可视化为例，将复杂的模型清晰化，给出解决方案。

1 可视化仿真系统实现方案

针对寒冷地区（每年12月到次年3月为温度骤降时间，平均温度在-15℃以下，且冬季风向较单一）火电厂烟气超低排放系统的改造，采用新建方案，保留原有烟气排放系统备用，新建一套烟气排放系统。考虑锅炉蒸发量、环保等要求，新建烟囱高度一般有所提升，受场地限制，新建烟囱下方需布置附属设施。新旧烟囱存在高差，原系统启用时，受风向、温度、日照等级等自然因素影响，若新建烟囱位置选择不当，新建烟囱外壁部分区域就会出现结冰现象，因此新建烟囱位置的选择十分重要。

通过BIM模型的建立，在工程施工之前，对建筑空间和相关设施仿真模拟检查，以实现工程设计上的视觉分析与探讨[5]。利用动态仿真效果，将更直接地看到建筑物实际完成后会产生何种问题，了解未来工程的全貌及预计施工的过程，提前预防问题的产生。图1为可视化仿真系统实现方案。

2 烟气扩散模型的构建

2.1 烟囱有效高度的计算

假设原系统烟囱定义为原烟囱，原烟囱的高度相对较低，高度值记为Hs。新建系统烟囱定义为新烟囱，新烟囱在原烟囱下风口，相距有一定距离，此距离即为本文要研究的安全距离。新烟囱高度为Hb且高于原烟囱，在风向、风速、气温等自然条件一定的情况下，烟气最小浓度满足恰好可以使新烟囱外壁结冰。

烟囱有效高度H指烟囱排放烟气距离地面的实际距离，它等于烟囱本身高度Hs与烟气抬升高度ΔH的和[6]。ΔH在中性条件[6]下可由霍兰德公式求出，即

其中，1.5与2.7为经验系数值，us为烟囱排出口处的排烟速度，Ds为烟囱排出口的内径，u为烟囱口高度处的平均风速，Ts为烟气出口的温度，Ta为大气平均温度。

2.2 正下风口方向安全距离的计算

对于烟囱这类高架连续点源扩散模式的模型，以高架源排放点在地面上的投影点作为原点，x为主风向，y为横风向，z为垂直向，建立坐标系，如图2所示。

图2 烟气扩散模式坐标系

当风速稳定且均匀、气体源强均匀且连续、扩散过程中烟气质量守恒时，利用高斯扩散模型可以求得烟气中任意一点的浓度[7]。本文研究的烟气扩散条件满足高斯扩散条件。对于高架连续点源扩散模式，烟气中任意一点的烟气浓度p(x,y,z,H)满足：

其中，Q是单位时间排放的烟气（源强），H是有效源排放高度（源高），σy是y方向上任一点烟气分布曲线的标准偏差，即水平扩散系数，σz是z方向上任一点烟气分布曲线的标准偏差，即垂直扩散系数，u是平均风速。

假定烟气流动受风向、风速等自然因素影响到达新烟囱外壁时，满足浓度不低于最小浓度ps时，新烟囱外壁恰好结冰。在已知源强、风速、原烟囱高度、新烟囱高度等条件下，结合式（1）可求出烟囱的效高度H，继而可得到关于σy和σz的非线性方程，这个方程的隐式表达为

式（3）无法直接求解出风口方向的合适距离，但可以利用经验公式进行求解。从事大气扩散研究的工作者在分析了大量的实验资料后，总结出烟气扩散系数与风向距离x的关系式为：

其中，a、b、c、d是与大气稳定度有关的经验系数。

根据地面上10 m处的风速、日照等级、阴云分布状况及云量等气象资料，可以确定稳定度级别[8]，如表1所示。

表1 大气稳定度级别

平原地区农村及城市远郊区的扩散参数选取方法：A、B、C级稳定度直接查P-G扩散曲线幂函数[9]（表2）；D、E、F级稳定度则需要向不稳定方向提半级后再查。工业区或城区的扩散参数选取方法：工业区A、B级不提级，C级提到B，D、E、F级向不稳定方向提一级半再查表2。非工业区的城区A、B级不提级，C级提到B～C级，D、E、F级向不稳定方向提一级。丘陵山区的农村或城市，其扩散参数选取方法同城市工业区。

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

根据上述模型分析及经验公式，代入实例工程地点的具体参数值，在Matlab2016a中运行，进行数值计算，可求出下风向距离x。

表2 P-G扩散曲线幂函数（取样时间0.5 h）

3 结果讨论与分析

根据模型分析，在unity3d引擎中模拟烟囱排放烟气的过程。不同的自然条件对烟气的扩散会造成不同的影响，在中性条件下，自然条件因素所浮动的区间比较小。因此，在此条件相对稳定的状态下，模拟不同距离下两烟囱外壁的结冰过程，见图3～图5，可见，烟囱外壁在此模拟过程中会经历三个状态，从未结冰（图3）到刚好结冰（图4），再到严重结冰（图5），而刚好结冰的距离正是我们要求的安全距离。

图3 新建烟囱外壁未结冰

图4 新建烟囱外壁开始结冰

图5 新建烟囱外壁结冰严重

图3表明自然因素对烟气扩散影响比较弱，两烟囱距离为安全距离时，从烟气的排放情况可以看到，烟气此时未接触到新烟囱，因此新烟囱表面不会结冰。图4表明当两烟囱的距离进一步缩小，达到临界距离的时候，烟囱仅仅开始结冰。图5表明新烟囱与原烟囱的距离较近时，新烟囱受影响的外表面积更大，此时结冰很严重。

自然因素参数的调整可以通过界面左边的滑动条来实现，点击“确定”按钮，烟气的运动状态可以实时产生变化，同时，烟气的抬升高度也可以实时显示在左下角输出框内。以上结果对比见表3。

表3 可视化模拟结果对比

通过对烟气扩散模型的构建及烟气流动可视化的模拟，可以清晰地找到距离原烟囱最适合距离的新烟囱的位置。当然，大于这个距离也不会出现烟囱外壁结冰这种问题，但却会造成施工场地资源的浪费。这种在可视化环境下模拟运行、实时纠偏的设计是向量图像构图时代无法实现的。