VDI 3783 Blatt 12-2000 Environmental meteorology - Physical modelling of flow and dispersion processes in the atmospheric boundary layer - Application of wind tunnels.pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREUmweltmeteorologiePhysikalische Modellierung von Strmungs- und Aus-breitungsvorgngen in der atmosphrischen GrenzschichtWindkanalanwendungenEnvironmental meteorologyPhysical modelling of flow and dispersion processesin the atmospheric boundary layerApplication of wind tunnel

2、sVDI 3783Blatt 12 / Part 12Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishKommission Reinhaltung der Luft (KRdL) im VDI und DIN NormenausschussArbeitsgruppe Windkanalanwendungenim Ausschuss GrenzschichtmodelleVDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 1bVDI-RICHTLINIENZu beziehen durch / Available from

3、Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2000Vervielfltigung auchfr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedDer Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundes-anze

4、iger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen.Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 13.040.01Dezember 2000December 2000The draft of this guideline has been subject to public scrutinyafter announcement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette).No guarantee can be given wit

5、h respect to the English transla-tion. The German version of this guideline shall be taken asauthoritative.Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Zielsetzung und Anwendungsbereich . . . . 32 Windgrenzschicht . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1 Zeitlich gemitteltes Gesch

6、windigkeitsprofil 62.2 Turbulenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3 Naturvorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . 83 hnlichkeitsgesetze . . . . . . . . . . . . . . 103.1 Anstrmung . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2 Umstrmung . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.3 Modellmastab . . . . . .

7、 . . . . . . . . . 113.4 Quellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Anforderungen an den Modellversuch . . . . 124.1 Erzeugung der Grenzschicht. . . . . . . . . 134.2 Windfeld- und Ausbreitungsmodellierung . 145 bertragungsfunktionen . . . . . . . . . . . . 166 Evaluierungsdaten . . . . . .

8、. . . . . . . . . 176.1 Grundstrmung . . . . . . . . . . . . . . . 176.2 Strmungsfelder . . . . . . . . . . . . . . . 196.3 Konzentrationsfelder. . . . . . . . . . . . . 21Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Anhang A Symbolverzeichnis, Definitionen und Erluterungen . . . . . . .

9、 . . . . 31Anhang B Messgerte und -verfahren . . . . . . 33Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Wind boundary layer. . . . . . . . . . . . . . . 42.1 Time-averaged velocity profile. . . . . . . . 62.2 Turbulence

10、. . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3 Full scale data. . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Similarity laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.1 Approach flow . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2 Flow around an obstacle . . . . . . . . . . . 113.3 Scale of the model . . . . . . . . . . . . .

11、. 113.4 Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Requirements to be fulfilled by the modelexperiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.1 Generation of the boundary layer . . . . . . 134.2 Wind-field and dispersion modelling . . . . 145 Transfer functions . . . . . . . . . . . .

12、. . . . 166 Evaluation data . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176.1 Approach flow . . . . . . . . . . . . . . . . 176.2 Flow fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196.3 Concentration fields . . . . . . . . . . . . . 21Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Annex A Symbols, d

13、efinitions, and explanatoryinformation. . . . . . . . . . . . . . . . 31Annex B Instrumentation and measurement methods . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Frhere Ausgabe: 8.99 Entwurf,deutschFormer edition: 8/99 draft, in German onlyB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-

14、08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2000 2 VDI 3783 Blatt 12 / Part 12VorbemerkungIn der Kommission Reinhaltung der Luft (KRdL) imVDI und DIN Normenausschuss erarbeiten Fach-leute aus Wissenschaft, Industrie und Verwaltung infreiwilliger Selbstverantwortung VDI-Richtlinienun

15、d DIN-Normen zum Umweltschutz. Diese be-schreiben den Stand der Technik bzw. Stand der Wis-senschaft in der Bundesrepublik Deutschland unddienen als Entscheidungshilfen bei der Erarbeitungund Anwendung von Rechts- und Verwaltungsvor-schriften. Die Arbeitsergebnisse der KRdL flieenferner als gemeinsa

16、mer deutscher Standpunkt in dieeuropische technische Regelsetzung bei CEN (Eu-ropisches Komitee fr Normung) und in die inter-nationale technische Regelsetzung bei ISO (Inter-nationale Organisation fr Normung) ein.Folgende Themenschwerpunkte werden in vier Fach-bereichen behandelt:Fachbereich I Umwel

17、tschutztechnik“Produktionsintegrierter Umweltschutz; Verfahrenund Einrichtungen zur Emissionsminderung;ganzheitliche Betrachtung von Emissionsminde-rungsmanahmen unter Bercksichtigung vonLuft, Wasser und Boden; Emissionswerte frStube und Gase; anlagenbezogene messtechni-sche Anleitungen; Handhabung

18、brennbarerStube; Minderung der Exposition gegenber luft-fremden Stoffen am Arbeitsplatz; Umweltschutz-kostenrechnungFachbereich II Umweltmeteorologie“Ausbreitung von Luftverunreinigungen in derAtmosphre; strfallbedingte Freisetzungen;mikro- und mesoskalige Windfeldmodelle; Wech-selwirkung zwischen A

19、tmosphre und Oberfl-chen; meteorologische Messungen; angewandteKlimatologie; Lufthygienekarten; human-biome-teorologische Bewertung von Klima und Lufthy-giene; bertragung meteorologischer DatenFachbereich III Umweltqualitt“Wirkung von Luftverunreinigungen auf Mensch,Tier, Pflanze, Boden, Werkstoffe

20、und Atmosphre;wirkungsbezogene Mess- und Erhebungsverfah-ren; Erfassung und Wirkung mikrobieller Luftver-unreinigungen; Olfaktometrie; UmweltsimulationFachbereich IVUmweltmesstechnik“Emissions- und Immissionsmesstechnik fr anor-ganische und organische Gase sowie fr Partikel;optische Fernmessverfahre

21、n; Messen von Innen-raumluftverunreinigungen; Messen von Boden-Preliminary noteIn the Commission on Air Pollution Prevention ofVDI and DIN Standards Committee (KRdL) ex-perts from science, industry and administration, act-ing on their own responsibility, establish VDI guide-lines and DIN Standards i

22、n the field of environmentalprotection. These describe the state of the art in sci-ence and technology in the Federal Republic of Ger-many and serve as a decision-making aid in the pre-paratory stages of legislation and application of legalregulations and ordinances. KRdLs working resultsare also co

23、nsidered as the common German point ofview in the establishment of technical rules on theEuropean level by CEN (European Committee forStandardization) and on the international level byISO (International Organization for Standardization).The following topics are dealt with in four subdivi-sions: Subd

24、ivision I ”Environmental Protection Techniques“Integrated pollution prevention and control for in-stallations; procedures and installations for emis-sion control; overall consideration of measures foremission control with consideration given to theair, water and soil; emission limits for dusts andga

25、ses; plant-related measurement instructions; thesafe processing of combustible dusts; reduction ofexposure to air pollutants in the workplace atmo-sphere, environmental industrial cost accountingSubdivision II ”Environmental Meteorology“Dispersion of pollutants in the atmosphere; emis-sions from acc

26、idental releases; micro- and meso-scale wind field models; interaction between theatmosphere and surfaces; meteorological measure-ments; applied climatology; air pollution maps;human-biometeorological evaluation of climateand air hygiene; transfer of meteorological dataSubdivision III ”Environmental

27、 Quality“Effects of air pollutants on man, farm animals,vegetation, soil, materials, and the atmosphere;methods for the measurement and evaluation of ef-fects; determination of microbial air pollutants andtheir effects; olfactometry; environmental simula-tion Subdivision IV”Environmental Measurement

28、 Techniques“Techniques for emission and ambient air measure-ments of inorganic and organic gases as well asparticulate matter; optical open-path measurementmethods; measurement of indoor air pollutants,B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein

29、 Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2000 VDI 3783 Blatt 12 / Part 12 3 luftverunreinigungen; Verfahren zur Herstellungvon Referenzmaterialien; Prfplne fr Mess-gerte; Validierungsverfahren; Messplanung; Aus-werteverfahren; QualittssicherungDie Richtlinien und Normen werden zunchst alsEntwurf verffentlic

30、ht. Durch Ankndigung im Bun-desanzeiger und in der Fachpresse erhalten alle inte-ressierten Kreise die Mglichkeit, sich an einemffentlichen Einspruchsverfahren zu beteiligen.Durch dieses Verfahren wird sichergestellt, dassunterschiedliche Meinungen vor Verffentlichungder endgltigen Fassung bercksich

31、tigt werden kn-nen.Die Richtlinien und Normen sind in sechs Bndendes VDI/DIN-Handbuches Reinhaltung der Luft zu-sammengefasst.1 Zielsetzung und AnwendungsbereichModelluntersuchungen in Wind- und Wasserkanlen(physikalische Modelle) sind ein anerkanntes Verfah-ren bei der Beantwortung von Fragen zur L

32、uft-hygiene, zum Mikroklima und bei der Validierungvon nummerischen Strmungs- und Ausbreitungs-modellen. In komplex bebauten oder topographischgegliederten Gebieten ist der Windkanal als Unter-suchungsmethode besonders geeignet. Die Leis-tungsstrke der physikalischen Modellierung beruhtvor allem auf

33、 der physikalisch hnlichen Simulationder magebenden Strmungs- bzw. Ausbreitungsvor-gnge. Versuchstechnisch ist hierzu die Modellierungder atmosphrischen Grenzschicht und ein adquatesVersuchsmodell erforderlich.Die Richtlinie zielt ab auf eine Standardisierung undQualittssicherung der Laborversuchste

34、chnik frumweltrelevante Untersuchungen. Sie bezieht sichvornehmlich auf Windkanalversuche; die getroffenenAussagen sind aber auch sinngem auf Wasser-kanle bertragbar. Die Richtlinie liefert den Betrei-bern solcher Versuchseinrichtungen Vorgaben bezg-lich der Durchfhrung der Experimente und benenntfr

35、 Evaluierungszwecke geeignete Referenzversucheund Datenstze. Die fr die Modellierung relevantenstrmungsmechanischen Grundlagen und Parameterder atmosphrischen Grenzschicht werden beschrie-ben. Die Anwendungsmglichkeiten und Grenzenphysikalischer Modellstudien werden aufgezeigt.Aufgaben der Gebudeaer

36、odynamik werden in einemMerkblatt der Windtechnologischen Gesellschafte.V. (WTG, 1994) behandelt.Gegenstand der vorliegenden Richtlinie ist die physi-kalische Modellierung vonmeasurement of soil air pollutants; procedures forestablishing reference material; test procedures formeasurement devices; va

37、lidation procedures;measurement planning; evaluation methods; qual-ity assuranceThe guidelines and standards are first published asdrafts. These are announced in the Bundesanzeiger(Federal Gazette) and in professional publications inorder to give all interested parties the opportunity toparticipate

38、in an official objection procedure. Thisprocedure ensures that differing opinions can be con-sidered before the final version is published.The guidelines and standards are published in the six-volume VDI/DIN Reinhaltung der Luft (Air Pollu-tion Prevention) manual.1ScopeWind-tunnel and water-channel

39、investigations on(physical) models are methods commonly acceptedto be suitable for finding answers to air-hygiene andmicro-climate problems, and for the validation of nu-merical flow and dispersion models. The wind tunnelis particularly suited for investigations on areas withcomplex building or topo

40、graphical structures. Thegood performance of physical modelling is mainly aresult of the physical similarity of the simulation ofthe relevant flow and dispersion processes. This re-quires the modelling of the atmospheric boundarylayer, and an appropriate test model.This guideline is meant to impleme

41、nt standardisedexperimental techniques and quality assurance forlaboratories investigating environmental issues.While the emphasis is put on wind-tunnel experi-ments, the essence of the statements made will alsoapply to water channels. This guideline supplies theusers of such test facilities with sp

42、ecifications con-cerning experimental procedures, and indicates refer-ence measurements and data records suitable forevaluation purposes. The fundamentals of flowmechanics and parameters of the atmospheric bound-ary layer, relevant to modelling, are described. Appli-cations and limitations of physic

43、al model investiga-tions are shown.Problems of building aerodynamics are dealt with ina guide published by the Windtechnologische Ge-sellschaft e.V. (WTG, 1994).This guideline deals with the physical modelling ofB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved

44、Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2000 4 VDI 3783 Blatt 12 / Part 12Strmungs- undKonzentrationsfeldernim Skalenbereich von einigen Metern bis zu einigenKilometern (Mikroskala).Diese Untersuchungsmethoden werden vor allem inFllen eingesetzt, in denen mechanisch induzierteTurbulenz dominiert und

45、die mit bestehenden Nor-men und Richtlinien nicht erfasst werden. Im Beson-deren gilt dies frdie Ausbreitung von Luftverunreinigungen inStadt- und Industriebereichen sowie in orogra-phisch gegliedertem GelndeWindfeldbeeinflussung durch Baumanahmen inbestehenden BebauungsstrukturenDie Richtlinie besc

46、hrnkt sich daher auf die Model-lierung einer gut durchmischten Schichtung.Physikalische Modellversuche liefern dreidimensio-nale Strmungs- und Konzentrationsfelder fr die inTabelle 1 dargestellten Anwendungsbereiche.Die im Modell gewonnenen Ergebnisse knnen unterEinhaltung der hnlichkeitsgesetze auf

47、 die Verhlt-nisse in der Natur bertragen werden.2 WindgrenzschichtAufgrund der Rauigkeit der Erdoberflche bildet sichein Geschwindigkeitsprofil mit Grenzschichtcharak-ter aus (siehe Bild 1). Das bodennahe Windprofilkann mit den Gesetzmigkeiten der vollkommenrauen“ turbulenten Plattengrenzschicht bes

48、chriebenwerden (Prandtl und Schlichting, 1934). Die Wind-drehung in der Ekman-Schicht wird vernachlssigt.Es ist zweckmig, zwischen der Grundstrmung,die die zeitlich gemittelten Gren beschreibt, undder Turbulenz, die die zeitlichen Fluktuationen umden Mittelwert erfasst, zu unterscheiden.flow fields

49、andconcentration fieldson scales between several metres and several kilome-tres (microscale).These investigation methods are specially used incases where mechanically induced turbulence pre-vails, and which are not covered by existing standardsand guidelines. This applies in particular tothe dispersion of air contaminants in urban and in-dustrial areas, and in orographically structuredterrain,influences on the wind field resulting from adjoin-ing