VDI 3783 Blatt 8-2017 Environmental meteorology - Turbulence parameters for dispersion models supported by measurement data.pdf

1、ICS 07.060, 13.040.01 VDI-RICHTLINIEN April 2017 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Umweltmeteorologie Messwertgesttzte Turbulenzparametrisierung fr Ausbreitungsmodelle Environmental meteorology Turbulence parameters for dispersion models supported by measurement data VDI 3783 Blatt 8 / Part 8 Ausg. deutsc

2、h/englisch Issue German/English Der Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundes- anzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen. Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The draft of this standard has been subject to public scrutiny after announcement in the B

3、undesanzeiger (Federal Gazette). The German version of this standard shall be taken as authorita- tive. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI/DIN-Kommission Reinhaltung der Luft (KRdL) Normenausschuss Fachbereich Umweltmeteorologie VDI-Handbuch Reinhaltung der Luft,

4、Band 1b: Umweltmeteorologie Vervielfltigung auch fr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permitted Frhere Ausgaben: 12.02; 09.15 Entwurf, deutsch Former editions: 12/02; 09/15 Draft, in German only Zu beziehen durch / Available at Beuth Verlag GmbH, 10772

5、 Berlin Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2017 Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 5 2 Begriffe 6 3 Formelzeichen und Abkrzungen . 10 4 Grenzschichtparameter 13 4.1 Vertikaler Aufbau der Grenzschicht

6、 13 4.2 Meteorologische Variablen 17 4.3 Gleichung fr die turbulente kinetische Energie 18 4.4 Skalierungsparameter . 19 4.5 Schichtungsparameter 20 5 Messwertgesttzte Ableitung von Grenzschichtparametern 21 5.1 Allgemeines . 21 5.2 Profilmethode . 22 5.3 Energiebilanzmethode 23 5.4 Rauigkeitslnge 2

7、5 5.5 Obukhov-Lnge . 26 5.6 Mischungsschichthhe . 27 5.7 Turbulenzparameter fr Ausbreitungsmodelle . 28 6 Grenzschichtmodell fr Ausbreitungsmodellierungen 30 6.1 Allgemeines . 30 6.2 Windgeschwindigkeit und Windrichtung . 31 6.3 Geschwindigkeitsfluktuationen 32 6.4 Turbulente Diffusionskoeffizienten

8、 . 33 6.5 Lagrange-Korrelationszeiten 34 6.6 Temperatur . 34 6.7 Bercksichtigung der Verdrngungs- hhe 36 6.8 Ausbreitungsparameter fr Gau- Modelle 36 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 5 2 Terms and definitions 6 3 Symbols and abbreviations . 10 4 Boundary layer parameters . 13 4.1 Vertic

9、al structure of the boundary layer 13 4.2 Meteorological variables 17 4.3 Equation for the turbulent kinetic energy 18 4.4 Scaling parameters . 19 4.5 Stratification parameters 20 5 Measurement-based derivation of boundary layer parameters 21 5.1 General . 21 5.2 Profile method . 22 5.3 Energy balan

10、ce method 23 5.4 Roughness length . 25 5.5 Obukhov length . 26 5.6 Mixed layer height . 27 5.7 Turbulence parameters for dispersion models 28 6 Boundary layer model for dispersion modelling . 30 6.1 General . 30 6.2 Wind velocity and wind direction 31 6.3 Velocity fluctuations 32 6.4 Turbulent diffu

11、sion coefficients . 33 6.5 Lagrange correlation times 34 6.6 Temperature . 34 6.7 Taking the zero displacement height into account 36 6.8 Dispersion parameters for Gaussian models 36 B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1C29 BEST BeuthStandardsColle

12、ction - Stand 2017-04 2 VDI 3783 Blatt 8 / Part 8 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2017 Inhalt Seite 7 Handlungsanweisungen fr die Praxis . 37 7.1 Rauigkeitslnge 37 7.2 Verdrngungshhe . 38 7.3 Schubspannungsgeschwindigkeit . 38 7.4 Obukhov-Lnge . 38 7.5 Mischungssc

13、hichthhe . 39 7.6 bertragung auf eine andere Rauigkeitslnge 40 7.7 Wertebeschrnkungen 41 Anhang A Beschreibung des Windprofils . 42 Anhang B Erluterungen zu den Parametrisierungen 45 Anhang C Grafische Darstellung der Turbulenzprofile 51 Anhang D Verifikationen, Validierungen und Vergleiche. 54 Schr

14、ifttum 68 Contents Page 7 Instructions for practical implementation 37 7.1 Roughness length . 37 7.2 Zero displacement height . 38 7.3 Friction velocity . 38 7.4 Obukhov length . 38 7.5 Mixed layer height . 39 7.6 Transfer to a different roughness length . 40 7.7 Value limiting 41 Annex A Descriptio

15、n of the wind profile 42 Annex B Comments on the parameterisations . 45 Annex C Graphic representation of the turbulence profiles 51 Annex D Verifications, validations, and comparisons . 54 Bibliography 68 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empf

16、ehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn- dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Li- zen

17、zbedingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3783. Prelim

18、inary note The content of this standard has been developed in strict accordance with the requirements and rec- ommendations of the standard VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint- ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translati

19、on, either of the full text or of extracts. The use of this standard without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con- ditions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VDI Notices. We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this standard. A catalogue

20、 of all available parts of this series of standards can be accessed on the Internet at www.vdi.de/3783. Einleitung Mit dieser Richtlinie wird das Ziel verfolgt, Glei- chungen anzugeben, mit denen diejenigen Gren bestimmt werden knnen, die bei einer Ausbrei- tungsrechnung im Rahmen der Technischen An

21、lei- tung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft) sowie vergleichbarer Regelwerke verfgbar sein mssen. Die Grundlage hierzu bildet die hnlichkeitstheo- rie nach Monin und Obukhov (Monin-Obukhov Similarity Theory MOST; siehe auch 1 bis 3), aus der messwertgesttzt Grenzschichtparameter abgeleitet werden, d

22、ie die Ausbreitungsverhltnisse in der bodennahen atmosphrischen Grenzschicht charakterisieren. Die Grenzschichtparameter wer-Introduction The objective of this standard is to provide equa- tions which make it possible to determine the vari- ables needed for dispersion calculations performed as part

23、of the Technical Instructions on Air Quality Control (TA Luft) and comparable regulations. The foundation for this is formed by the Monin- Obukhov Similarity Theory (MOST; see also 1 to 3), from which measurement-based bounda- ry layer parameters are derived which characterise the dispersion circums

24、tances in the near-ground atmospheric boundary layer. The boundary layer parameters are substituted into empirical equations with which the wind and turbulence profiles in the B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1C29 BEST BeuthStandardsCollection -

25、 Stand 2017-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2017 VDI 3783 Blatt 8 / Part 8 3 den in empirische Gleichungen eingesetzt, mit denen die Wind- und Turbulenzprofile in der Grenzschicht festgelegt werden, die den atmosph- rischen Ausbreitungsprozess luftgetragener Spu- re

26、nstoffe ber die Advektion (Wind) und Diffusion (Turbulenz) bestimmen. Die angegebenen Glei- chungen knnen z. B. auch im Rahmen der Ertrags- abschtzung bei der Windenergienutzung ange- wendet werden. Die luftgetragene Ausbreitung eines in die Atmo- sphre emittierten Spurenstoffs wird abgesehen von Ab

27、reicherungseffekten durch zwei Gren bestimmt: mittleres Windfeld, das die Lage des Schwer- punkts einer Spurenstoffwolke oder die Fahnen- achse einer Spurenstofffahne festlegt (Advekti- on) Fluktuationen der Luftstrmung, die die Ver- dnnung einer Spurenstoffwolke oder -fahne durch turbulente Diffusi

28、on bestimmen Unter Turbulenz wird die fortwhrende wirbelbe- dingte Vernderung der Strmungsgeschwindigkeit und -richtung auf einer Zeitskala verstanden, die wesentlich kleiner ist als die Zeitskala, die der Festlegung des mittleren Windfelds zugrunde liegt. Das Fundament einer physikalischen Beschrei

29、bung der Spurenstoffausbreitung in der Atmosphre im Rahmen von Ausbreitungsmodellen besteht folg- lich zum einen aus der Bestimmung des Windfelds (siehe u. a. VDI 3783 Blatt 6 und Blatt 7). Zum anderen ist eine adquate Parametrisierung der turbulenten Fluktuationen der Luftstrmung not- wendig (siehe

30、 z. B. VDI 3782 Blatt 1, VDI 3945 Blatt 1 und Blatt 3). Die Turbulenzstruktur in der atmosphrischen Grenzschicht wurde in Deutschland in lteren technischen Regelwerken ber sogenannte Diffusi- onskategorien (auch als Ausbreitungsklassen, Aus- breitungskategorien oder Stabilittsklassen be- zeichnet) b

31、eschrieben (siehe z. B. VDI 3782 Blatt 6; TA Luft; AVV zu 47 StrlSchV; SBG; 4). Diese Kategorien wurden ebenfalls auf der Grundlage meteorologischer Messungen abgeleitet, charakte- risieren jedoch den Turbulenzzustand lediglich ber sechs verschiedene Stabilittsbereiche diskon- tinuierlich. blicherwe

32、ise werden hierbei die in Tabelle 1 aufgefhrten Bezeichnungen verwen- det. boundary layer are established; the latter determine the atmospheric dispersion process of airborne trace substances via advection (wind) and diffusion (turbulence). The equations contained in the stand- ard can also be used,

33、 for instance, when estimating yield in wind energy utilisation. The airborne dispersion of a trace substance emit- ted into the atmosphere is determined aside from depletion effects by two quantities: the mean wind field that determines the position of the centre of mass of a trace substance cloud

34、or the axis of a trace substance plume (advec- tion) fluctuations in the airflow which determine the dilution of a cloud or plume of a trace substance through turbulent diffusion Turbulence is the continual vortex-associated change in flow velocity and direction on a time scale significantly shorter

35、 than that on which the definition of the mean wind field is based. The foundation of a physical description of trace substance dispersion in the atmosphere in disper- sion models lies, therefore, on the one hand in es- tablishing the wind field (see inter alia VDI 3783 Part 6 and Part 7). On the ot

36、her hand it depends on an adequate parameterisation of the turbulent fluctuations of the airflow (see e.g. VDI 3782 Part 1, VDI 3945 Part 1 and Part 3). The turbulence structure in the atmospheric bound- ary layer was described in Germany in older tech- nical regulations by means of diffusion catego

37、ries, also referred to as dispersion classes, dispersion categories or stability classes (see e.g. VDI 3782 Part 6; TA Luft; AVV (General Administrative Regulation) to section 47, StrlSchV (Radiation Safety Ordinance); SBG (Calculation Guidelines for Emergency Situations); 4), which were also derive

38、d from meteorological measurements but characterised the turbulence discontinuously via six different stability regions. The usual terminolo- gy employed is the one listed in Table 1. B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1C29 BEST BeuthStandardsColl

39、ection - Stand 2017-04 4 VDI 3783 Blatt 8 / Part 8 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2017 Tabelle 1. Zuordnung zwischen Diffusionskatego- rien verwendet in verschiedenen Regelwerken und atmosphrischen Stabilittsbereichen Stabilitt der Atmosphre TA Luft Kerntechnisch

40、e Regelwerke Sehr stabil I F Stabil II E Indifferent/stabil III/1 D Indifferent/labil III/2 C Labil IV B Sehr labil V A Im Rahmen der hnlichkeitstheorie stehen fr Ausbreitungsrechnungen statt der Diffusionskate- gorien andere Kenngren sogenannte Grenz- schichtparameter (siehe Abschnitt 4) zur Verf-

41、gung, die eine kontinuierliche und damit realitts- nhere Modellierung der Wind- und Turbulenz- struktur der Atmosphre erlauben. Sie knnen wie die Diffusionskategorien (siehe z. B. 5 bis 7 oder Abschnitt 5) mittels meteorologischer Prprozesso- ren aus den gleichen meteorologischen Messungen abgeleite

42、t werden. Die Prprozessoren knnen unterschiedliche Messgren (z. B. synoptische Daten, Wind-, Temperatur- oder Feuchteprofile in der Prandtl-Schicht und Turbulenzmessungen mit einem Ultraschallanemometer) als Eingangsdaten bercksichtigen. Sie basieren auf der hnlichkeits- theorie nach Monin und Obukh

43、ov. In dieser Richtlinie werden fr verschiedene Typen von Ausbreitungsmodellen dem Stand von Wissen- schaft und Technik entsprechende Verfahren zur Parametrisierung der Turbulenz angegeben. Es werden funktionale Abhngigkeiten der die turbu- lente Diffusion charakterisierenden, modellspezifi- schen T

44、urbulenzparameter von den in Abschnitt 4 eingefhrten Grenzschichtparametern spezifiziert. Bei Vorgabe einer standortspezifischen Rauigkeits- lnge z 0und Verdrngungshhe d 0werden unter Benutzung standardisierter meteorologischer Mess- daten Anstze zur Bestimmung derjenigen Grenz- schichtparameter ang

45、egeben, die den Turbulenz- zustand der Atmosphre beschreiben (siehe Ab- schnitt 4). Einen typischen Satz charakteristischer Grenzschichtparameter bilden: Schubspannungsgeschwindigkeit u konvektive Skalierungsgeschwindigkeit w Obukhov-Lnge L Mischungsschichthhe h mAusgehend von meteorologischen Messu

46、ngen ist in Bild 1 die Turbulenzparametrisierung ber Diffu- Table 1. Correlation between diffusion categories used in various regulations and atmospheric stability regions Atmospheric stability TA Luft Nuclear regulations Very stable I F Stable II E Neutral/stable III/1 D Neutral/unstable III/2 C Un

47、stable IV B Very unstable V A In similarity theory, instead of diffusion categories, dispersion calculations can rely on other parame- ters, known as boundary layer parameters (see Section 4), which permit continuous and therefore more realistic modelling of the wind and turbu- lence structure of th

48、e atmosphere. By means of meteorological preprocessors, they can be derived from the same meteorological measurements as the diffusion categories (see e.g. 5 to 7 and Sec- tion 5). The preprocessors can take into account various observations (e.g. synoptic data, wind, temperature or humidity profile

49、s in the Prandtl layer and turbulence measurements with an ultra- sonic anemometer) as input data. They are based on the Monin-Obukhov similarity theory. This standard provides, for various types of disper- sion models, state-of-the-art methods for parame- terising the turbulence. It specifies functional de- pendencies of the model-specific turbulence pa- rameters that characterise turbulent diffusion, on the