JP2009068970A

JP2009068970A - 粉塵の大気中拡散シミュレーション装置、方法及びプログラム

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Publication number: JP2009068970A
Application number: JP2007237178A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Yamada; 義博山田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2027-09-12
Also published as: JP4837640B2

Abstract

【課題】粉塵の大気中への拡散のシミュレーション精度を向上させる。
【解決手段】定置した１台以上のカメラ２００を用いて、計測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を一定時間間隔で連続的に記録し、連続画像の同一画素座標での時間方向の輝度をフーリエ変換して、画面のパワースペクトルの時系列を求め、画面のパワースペクトルから等方性乱流のパワースペクトルを求め、画面のパワースペクトルと等方性乱流のパワースペクトルの差からカルマン渦起因の振動周波数を求め、カルマン渦起因の振動周波数と風速と煙突の直径からストローハル数を求め、ストローハル数とレイノルズ数の関係を用いて渦拡散係数と拡散幅を求め、煙突からの煙の噴出方向の画像を用いて、拡散幅を水平成分と垂直成分に分解し、拡散幅の水平成分と拡散幅の垂直成分、気象条件、粉塵条件を用いて数値解析により粉塵の拡散をシミュレーションする。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーション装置、方法及びプログラムに関し、特に煙突を有する工場や石炭貯蔵場から大気中への粉塵の拡散を精度良く、安価に求めるものに関する。

工場や石炭貯蔵場から拡散する粉塵は、その周辺地域の洗濯物や自動車等を汚す等のトラブルを生じさせるため、粉塵の拡散を監視し、その量を最小限度に抑えることは必要不可欠である。そこで、従来は、周辺地域への粉塵の拡散状況を監視する場合、粉塵拡散量測定装置を多数設置し、その計測値によって監視を行っていた。

また、特許文献１には、数値シミュレーションを利用することにより、粉塵拡散量測定点の数を減らし、粉塵の拡散を監視する装置が開示されている。図１４に示すように、Pasquill安定度段階分類表（表１を参照）を用いて、風速、日射量等から、安定度段階分類Ａ〜Ｇを求める。そして、安定度段階分類Ａ〜Ｇと粉塵の発生源からの距離を用いて、Pasquill-Gifford線図（図１５、図１６を参照）から、拡散幅の垂直成分σｚ及び拡散幅の水平成分σｙを求める。その後、求めた拡散幅と測定した粉塵拡散量、風向き等の測定から数値解析により粉塵の拡散分布を求めている。

特開平２−６４４３７号公報

しかしながら、多数の粉塵拡散量測定装置により拡散状況を監視する従来の方法は、監視精度を向上させるためには比較的高価な測定装置の数を増加させなければならず、経済性が悪いという問題点がある。また、計測点以外の拡散状況は、計測点のデータから補間するしかなかった。

また、特許文献１に開示されているシミュレーションによる方法は、気象条件の観測値から求めるPasquill安定度段階分類として７段階しかなく、また、実態に合わないこともあり、数値シミュレーションの解析精度が悪いという問題があった。例えば、晴天の正午過ぎの凪の時間帯では、日射量が多く、Pasquill安定度分類のカテゴリーはＡ，Ｂとなり、Pasquill-Gifford線図を見ると、拡散幅の水平成分σｙは大きな値を示す。ところが、実現象を観察すると、煙は上昇するだけで、拡散幅の水平成分σｙは小さいという不一致が生じている。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、粉塵の大気中への拡散のシミュレーション精度を向上させることを目的とするものである。

本願発明者等は、拡散する粉塵の大気中の拡散幅を精度良く求める手法として、煙突から発生する煙に注目して拡散幅を直接求めるようにした。以下に、本発明の要旨を述べる。
本発明の粉塵の大気中拡散シミュレーション装置は、粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーション装置であって、定置した１台以上のカメラを用いて、計測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を一定時間間隔で連続的に記録する手段と、連続画像の同一画素座標での時間方向の輝度をフーリエ変換して、画面のパワースペクトルの時系列を求める手段と、画面のパワースペクトルから等方性乱流のパワースペクトルを求め、画面のパワースペクトルと等方性乱流のパワースペクトルの差からカルマン渦起因の振動周波数を求める手段と、カルマン渦起因の振動周波数と風速と煙突の直径からストローハル数を求め、ストローハル数とレイノルズ数の関係を用いて渦拡散係数と拡散幅を求める手段と、煙突からの煙の噴出方向の画像を用いて、拡散幅を水平成分と垂直成分に分解する手段と、拡散幅の水平成分と拡散幅の垂直成分、気象条件、粉塵条件を用いて数値解析により粉塵の拡散をシミュレーションする手段とを備えたことを特徴とする。
本発明の粉塵の大気中拡散シミュレーション方法は、粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーション方法であって、定置した１台以上のカメラを用いて、計測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を一定時間間隔で連続的に記録するステップと、連続画像の同一画素座標での時間方向の輝度をフーリエ変換して、画面のパワースペクトルの時系列を求めるステップと、画面のパワースペクトルから等方性乱流のパワースペクトルを求め、画面のパワースペクトルと等方性乱流のパワースペクトルの差からカルマン渦起因の振動周波数を求めるステップと、カルマン渦起因の振動周波数と風速と煙突の直径からストローハル数を求め、ストローハル数とレイノルズ数の関係を用いて渦拡散係数と拡散幅を求めるステップと、煙突からの煙の噴出方向の画像を用いて、拡散幅を水平成分と垂直成分に分解するステップと、拡散幅の水平成分と拡散幅の垂直成分、気象条件、粉塵条件を用いて数値解析により粉塵の拡散をシミュレーションするステップとを有することを特徴とする。
本発明のプログラムは、粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーションを行うプログラムであって、コンピュータを、定置した１台以上のカメラを用いて、計測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を一定時間間隔で連続的に記録する手段と、連続画像の同一画素座標での時間方向の輝度をフーリエ変換して、画面のパワースペクトルの時系列を求める手段と、画面のパワースペクトルから等方性乱流のパワースペクトルを求め、画面のパワースペクトルと等方性乱流のパワースペクトルの差からカルマン渦起因の振動周波数を求める手段と、カルマン渦起因の振動周波数と風速と煙突の直径からストローハル数を求め、ストローハル数とレイノルズ数の関係を用いて渦拡散係数と拡散幅を求める手段と、煙突からの煙の噴出方向の画像を用いて、拡散幅を水平成分と垂直成分に分解する手段と、拡散幅の水平成分と拡散幅の垂直成分、気象条件、粉塵条件を用いて数値解析により粉塵の拡散をシミュレーションする手段として機能させることを特徴とする。

本発明によれば、粉塵の大気中への拡散のシミュレーション精度を向上させることができるので、粉塵拡散の抑制対策のアクションを早く実行でき、周辺地域に拡散する粉塵の量を抑制する等の環境改善を促進させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
図１に、本実施形態における粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーション装置の機能構成を示す。大気中拡散シミュレーション装置１００には、計測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を一定時間間隔で連続的に記録するためのカメラ２００が接続する。なお、図１ではカメラ２００は１台しか図示していないが、複数台あってもよい。また、図２に、本実施形態における粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーション方法のフローチャートを示す。

記録部１０１は、定置した１台以上のカメラ２００を用いて、計測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を一定時間間隔で連続的に記録する（図２のステップＳ１０１）。

パワースペクトル演算部１０２は、連続画像の同一画素座標での時間方向の輝度をフーリエ変換して、画面のパワースペクトルの時系列を求める（図２のステップＳ１０２）。

振動周波数演算部１０３は、画面のパワースペクトルから等方性乱流のパワースペクトルを求め、画面のパワースペクトルと等方性乱流のパワースペクトルの差からカルマン渦起因の振動周波数を求める（図２のステップＳ１０３）。

渦拡散計数・拡散幅演算部１０４は、カルマン渦起因の振動周波数と風速と煙突の直径からストローハル数を求め、ストローハル数とレイノルズ数の関係を用いて渦拡散係数と拡散幅を求める（図２のステップＳ１０４）。

拡散幅分解部１０５、煙突からの煙の噴出方向の画像を用いて、拡散幅を水平成分と垂直成分に分解する（図２のステップＳ１０５）。

シミュレーション部１０６は、拡散幅の水平成分と拡散幅の垂直成分、気象条件、粉塵条件を用いて数値解析により粉塵の拡散をシミュレーションする（図２のステップＳ１０６）。

図３に示すように、煙突からの煙の画像は時間と共に変化するので、定置した１台以上のカメラ２００を用いて、計測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を一定時間間隔で連続的に記録する。なお、図３は、カメラ２００で撮影された写真を図にしたものである。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、連続画像（時系列画像）２の同一画素座標（ｘ，ｙ）での時間方向の輝度ｐ（ｘ，ｙ，ｉ）（ｉ＝０，２，・・・，２Ｎ−１）を、（１）式を用いてフーリエ変換して画面のパワースペクトルＥ_Pを求める。２Ｎは積分画像数、Δｔは時間刻みである。なお、図４（ａ）において、３は連続画像の同一画素座標の時間方向の輝度の時系列を表わす。

画面のパワースペクトルＥ_Pと周波数ｆとの関係を両対数グラフにすると図５に示すようになり、画面のパワースペクトルＥ_Pは右肩下がりとなる。等方性乱流のパワースペクトルＥ_Tは、周波数ｆのＴ（定数）乗及びａ（定数）に比例し、（２）式で示される。図５に示すように、画面のパワースペクトルＥ_Pの曲線の下方に接する直線を求め、その直線の傾きと直線上の任意の点から、定数Ｔ及びａを求める。画面のパワースペクトルＥ_Pから等方性乱流のパワースペクトルＥ_Tを引くことにより、卓越周波数（分布のうちピークとなる周波数）を求めている。（３）式で示されように、画面のパワースペクトルＥ_Pと等方性乱流のパワースペクトルＥ_Tとの差をＥ₁とし、Ｅ₁の分布のピークとなる周波数のうち、Ｅ₁が最大の値を示す周波数を流体振動のパワースペクトルの卓越周波数ｆ_Oとし、流体振動のパワースペクトルの卓越周波数ｆ_Oをカルマン渦起因の振動周波数ｆとする。

ストローハル数Ｓｔは（４）式で定義され、カルマン渦起因の振動周波数ｆと、煙突に向かって吹く風の風速ｕと、煙突の直径Ｄとから求められる。ストローハル数Ｓｔとレイノルズ数Ｒｅを（５）式に示す近似式（ｂは定数）で近似し、本式からレイノルズ数Ｒｅを求める。渦拡散係数Κとレイノルズ数Ｒｅとの間には（６）式に示す関係があり、渦拡散係数Κを求める。拡散係数Ｋと拡散幅σとの間には（７）式の関係があり、拡散幅σを求める。

粉塵の拡散のシミュレーションを行うには、拡散幅σをその水平成分σｙと垂直成分σｚとに分解する必要がある。図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、粉体の水平拡散と垂直拡散の合成された結果が、煙画像の噴出方向となっていると考えられ、煙の進行方向の単位ベクトルをＶ、鉛直単位ベクトルをｅｖ、水平単位ベクトルをｅｈ、拡散幅σ、拡散幅σの水平成分をσｙ、拡散幅σの垂直成分をσｚとすると、（８）式、（９）式で拡散幅σを求めることができる。なお、図１２において、１は煙突を表わす。図１２（ｂ）は、カメラ２００で撮影された写真を図にしたものである。
σｙ＝σ（Ｖ・ｅｈ）・・・（８）
σｚ＝σ（Ｖ・ｅｖ）・・・（９）

求めた拡散幅σ、及び測定した粉塵拡散量と気象条件から数値解析により粉塵の拡散分布を求める。このように、気象条件の観測値と煙突からの煙の時系列画像から直接拡散係数の関係を出す装置を提供することができた。これにより、気象条件の観測値と拡散幅の関係が７段階の大気安定度カテゴリー以上に細かくかつ定量的に求められ、粉塵の大気中への拡散のシミュレーション精度を向上させることが可能となった。

（実施例）
本発明の実施例を、図３、図５〜図１１を用いて説明する。まず計算対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を定置した１台以上のカメラを用いて、図３に示すように一定時間間隔で連続的に記録する。

該連続画像の同一画素座標での時間方向の輝度を（１）式を用いてフーリエ変換して、図５に示すように、画面のパワースペクトルＥ_Pを求める。ここで、時間刻みΔｔ＝１秒、積分画像数２Ｎ＝６４枚とした。

流体振動のパワースペクトルの卓越周波数を求めるため、画面のパワースペクトルＥ_Pと、等方性乱流のパワースペクトルＥ_Tとの差Ｅ₁を求める。等方性乱流のパワースペクトルＥ_Tは、画面のパワースペクトルＥ_Pの周波数との両対数グラフの勾配Ｔを調べ、Ｔ＝−１とした。等方性乱流のパワースペクトルＥ_Tは周波数ｆの−１乗に比例すると考えられ、ａを定数として（２）式で示される。（３）式で示される画面のパワースペクトルＥ_Pと等方性乱流のパワースペクトルＥ_Tとの差Ｅ₁が、流体振動のパワースペクトルを示し、Ｅ₁の分布のうち最大の値を示すピークの周波数が卓越周波数であり、流体振動のパワースペクトルの卓越周波数ｆ_Oをカルマン渦起因の振動周波数ｆとする。

（４）式を用いて、図７に示すカルマン渦起因の振動周波数ｆと、図６に示す煙突に向かって吹く風の風速ｕと、煙突の直径Ｄとから、図８に示すストローハル数Ｓｔの時系列を求める。

ストローハル数Ｓｔとレイノルズ数Ｒｅの間には、図９に示すような曲線の関係式があるが、本装置では、図９に示すように直線に近似して（５）式の係数ｂを求め、（５）式からレイノルズ数Ｒｅを求め、（６）式を用いて図１０に示す渦拡散係数Ｋを求める。（７）式により拡散幅σを求め、図１２に示すように煙画像の噴出方向を用いて、拡散幅σをその水平成分σｙと垂直成分σｚに分解する。

求めた拡散幅σ、及び測定した粉塵拡散量と気象条件から数値解析により粉塵の拡散分布を求める。

本発明と従来のPasquill-Gifford線図を用いた手法により求めた粉塵発生源から１００ｍｍ地点における拡散幅の垂直成分を図１１に示す。図１１は時間と垂直拡散幅との関係を示す特性図である。本発明による結果は時系列の変化を、従来の装置による結果はPasquill安定度段階分類がＣ、Ｄ、Ｅ、Ｆの場合の結果を示した。両方を比較すると、値は同じオーダーであるが、従来法では離散的変化するのに対して、本発明では時系列に連続して変化しているのが分かる。

本発明は、気象条件の観測値と煙突からの煙の時系列画像から直接拡散幅を求めるので、気象条件の観測値と拡散係数の関係が７段階の従来法以上に細かく、高い精度となり、かつ、コストも低くすることが可能となった。

図１３には、本発明の大気中拡散シミュレーション装置として機能しうるコンピュータのハードウェア構成例を示す。コンピュータは、装置全体を制御する中央処理装置であるＣＰＵ５１、各種入力条件や解析結果等を表示する表示部５２、解析結果等を保存するハードディスク等の記憶部５３を有する。また、制御プログラム、各種アプリケーションプログラム、データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリ）５４を有する。また、上記制御プログラムに基づいてＣＰＵ５１が各部を制御しながら処理を行うときに用いる作業領域であるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５５、及びキーボード、マウス等の入力部５６等から構成されている。

なお、本発明の目的は、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システム或いは装置に供給することによっても達成される。この場合、そのシステム或いは装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行する。

この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が上述した実施形態の機能を実現することになり、プログラムコード自体及びそのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いることができる。

本実施形態における粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーション装置の機能構成を示す図である。本実施形態における粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーション方法のフローチャートである。煙突からの煙の時系列画像を示す図である。画面のパワースペクトルＥ_Pの求め方を説明するための図であり、（ａ）が連続画像の概念を示す図、（ｂ）が特性図である。画面のパワースペクトルＥ_Pと周波数ｆとの関係を示す特性図である。煙突に向かって吹く風の風速ｕの時系列を示す特性図である。カルマン渦起因の振動周波数ｆの時系列を示す特性図である。ストローハル数Ｓｔの時系列を示す特性図である。ストローハル数Ｓｔとレイノルズ数Ｒｅとの関係を示す特性図である。渦拡散係数Ｋの時系列を示す特性図である。本発明と従来法との比較を説明するための図であり、垂直拡散幅の時系列を示す特性図である。拡散幅σの水平成分をσｙと垂直成分σｚとへの分解を説明するための図であり、（ａ）が煙の進行方向の単位ベクトルＶ、鉛直単位ベクトルｅｖ、水平単位ベクトルｅｈの関係を示す図、（ｂ）が煙突から発生する煙の画像を示す図である。本発明の大気中拡散シミュレーション装置として機能しうるコンピュータのハードウェア構成例を示す図である。 Pasquill-Gifford線図を用いた手法による大気中拡散シミュレーションを説明するための図である。 Pasquill-Gifford線図における拡散幅の水平成分の特性図である。 Pasquill-Gifford線図における拡散幅の垂直成分の特性図である。

符号の説明

１０１記録部
１０２パワースペクトル演算部
１０３振動周波数演算部
１０４渦拡散計数・拡散幅演算部
１０５拡散幅分解部
１０６シミュレーション部

Claims

粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーション装置であって、
定置した１台以上のカメラを用いて、計測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を一定時間間隔で連続的に記録する手段と、
連続画像の同一画素座標での時間方向の輝度をフーリエ変換して、画面のパワースペクトルの時系列を求める手段と、
画面のパワースペクトルから等方性乱流のパワースペクトルを求め、画面のパワースペクトルと等方性乱流のパワースペクトルの差からカルマン渦起因の振動周波数を求める手段と、
カルマン渦起因の振動周波数と風速と煙突の直径からストローハル数を求め、ストローハル数とレイノルズ数の関係を用いて渦拡散係数と拡散幅を求める手段と、
煙突からの煙の噴出方向の画像を用いて、拡散幅を水平成分と垂直成分に分解する手段と、
拡散幅の水平成分と拡散幅の垂直成分、気象条件、粉塵条件を用いて数値解析により粉塵の拡散をシミュレーションする手段とを備えたことを特徴とする粉塵の大気中拡散シミュレーション装置。
粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーション方法であって、
定置した１台以上のカメラを用いて、計測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を一定時間間隔で連続的に記録するステップと、
連続画像の同一画素座標での時間方向の輝度をフーリエ変換して、画面のパワースペクトルの時系列を求めるステップと、
画面のパワースペクトルから等方性乱流のパワースペクトルを求め、画面のパワースペクトルと等方性乱流のパワースペクトルの差からカルマン渦起因の振動周波数を求めるステップと、
カルマン渦起因の振動周波数と風速と煙突の直径からストローハル数を求め、ストローハル数とレイノルズ数の関係を用いて渦拡散係数と拡散幅を求めるステップと、
煙突からの煙の噴出方向の画像を用いて、拡散幅を水平成分と垂直成分に分解するステップと、
拡散幅の水平成分と拡散幅の垂直成分、気象条件、粉塵条件を用いて数値解析により粉塵の拡散をシミュレーションするステップとを有することを特徴とする粉塵の大気中拡散シミュレーション方法。
粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーションを行うプログラムであって、
コンピュータを、
定置した１台以上のカメラを用いて、計測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を一定時間間隔で連続的に記録する手段と、
連続画像の同一画素座標での時間方向の輝度をフーリエ変換して、画面のパワースペクトルの時系列を求める手段と、
画面のパワースペクトルから等方性乱流のパワースペクトルを求め、画面のパワースペクトルと等方性乱流のパワースペクトルの差からカルマン渦起因の振動周波数を求める手段と、
カルマン渦起因の振動周波数と風速と煙突の直径からストローハル数を求め、ストローハル数とレイノルズ数の関係を用いて渦拡散係数と拡散幅を求める手段と、
煙突からの煙の噴出方向の画像を用いて、拡散幅を水平成分と垂直成分に分解する手段と、
拡散幅の水平成分と拡散幅の垂直成分、気象条件、粉塵条件を用いて数値解析により粉塵の拡散をシミュレーションする手段として機能させるためのプログラム。