船舶排放物扩散与暴露水平的实验研究

《Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics》：Experimental investigation of vessel emission dispersion and exposure levels

　　

• 风向通过羽流-尾流相互作用（plume-wake interaction）控制甲板暴露。
• 较高的排气动量促进羽流从回流区（recirculation region）逃逸。
• 分析框架（analytical framework）能够从浓度数据评估暴露水平。
• 临界风向导致甲板暴露限值（exposure limits）超标。
• 低硫燃料（low-sulfur fuel）和后处理系统（after-treatment systems）减少甲板暴露。

空气污染被世界卫生组织（WHO）视为重大健康风险之一。尽管过去几十年主要空气污染物排放有所下降，但许多地区空气质量仍较差，航运和港口区域亦不例外。船舶排放可导致局部有害污染物浓度升高，在船舶尺度上，船员可能暴露于发动机和烟囱排放的超细颗粒物。已有研究虽提供了船舶空气动力学和废气扩散的见解，但仍缺乏对尾流主导的污染物扩散的详细实验评估，实验室实验也往往未按现实条件正确模拟浮力效应，且浓度场很少从暴露评估角度进行时间尺度解释。为此，研究人员开展了本项研究。

该研究在荷兰埃因霍温理工大学的大气边界层风洞（ABLWT）中进行，采用1:100缩尺比，在风洞内模拟中性海洋大气边界层来流。研究对象为一艘典型海上服务船的简化几何模型（全长84 m，型宽17 m的1:100缩尺模型），废气从位于驾驶室上方20.2 m高度的圆形排气管释放。实验采用乙烯作为示踪气体，与氦气和合成空气混合以模拟真实排气的浮力效应，通过保证密度弗劳德数（densimetric Froude number, Fr）相似来复现浮力羽流动力学。在甲板上方1.5 m高度处布置25个测点，使用快速火焰离子化检测器（fast-FID）测量浓度。研究考虑了三种相对风向（γ = 0°、15°、?15°）、两种发动机负荷（25%和75%最大连续额定功率，MCR）以及两种环境风速（U_ref,f = 10 m/s和20 m/s），并提出了将实测浓度转化为长期和短期暴露水平评估的分析框架。实验数据和模型几何已作为公开数据集提供，用于验证高保真数值模拟。

### 3.1 数据质量

通过重复测量评估，整体实验不确定性为归一化浓度C^*的±7%。为检验雷诺数（Reynolds number）敏感性，在γ = 0°下改变模型尺度参考风速，使基于船宽的雷诺数Re_v,m在约11600至57800之间变化。结果显示，位于驾驶室下游回流区内的测点（如P8、P11）对雷诺数依赖性弱，而位于近尾流区的P23点仍存在一定依赖。由于浮力相似优先，研究采用速度缩尺因子10，这是雷诺数与弗劳德数相似之间的折衷。

### 3.2 风向、风速和发动机负荷对时均浓度的影响

对于γ = 0°（迎风），最高浓度出现在驾驶室后方的回流区内，C^*最高达0.47%（P14），下层甲板左舷也测得约0.19%的浓度。γ = ?15°时最不利，由于射流-横流相互作用和不对称尾流，羽流被卷吸至甲板，上层甲板P15和下层甲板P17的C^*均达0.94%，约为迎风时的两倍。γ = 15°时最有利，除上层甲板左舷外，绝大多数位置C^*低于0.06%。将环境风速从10 m/s提高至20 m/s仅使少数位置浓度小幅上升，说明近甲板扩散主要受船体几何诱发的回流区控制。而将发动机负荷从25% MCR提高至75% MCR后，所有测点浓度显著降至0.04%以下，原因是较高排气动量使羽流能逃脱回流区。

### 3.3 有害气体的长期与短期暴露

针对最不利风向γ = ?15°，研究人员计算了CO、NO、NO₂和SO₂的长期暴露限值（LTEL）和短期暴露限值（STEL）超标因子E。CO在所有位置均未超标。未处理的高硫柴油产生的SO₂ LTEL超标因子最高约15（P15、P17），安装后处理系统后降至约3，超标位置从14个减至8个；极低硫柴油无论是否后处理均未超标。未处理的NO和NO₂ LTEL超标因子最高分别约5和2，后处理使NO超标位置从12个减至2个，NO₂超标位置降为0。对于STEL，未处理NO超标因子最高达11，后处理后降至约2。低硫燃料和废气后处理系统能显著降低船员和工人的暴露风险。

讨论指出，甲板暴露由风向、排气动量、浮力羽流和船舶尾流结构共同控制，缓解措施应聚焦于减少羽流与回流区相互作用，例如将排气口移至主回流区上方或采用导流装置。研究局限性包括未考虑化学转化、波浪运动和燃料成分变化等。结论部分确认，该研究展示了如何将受控风洞测量与暴露导向分析相结合，将复杂的船舶尺度扩散行为转化为安全相关指标，为未来预测和缓解船员暴露提供了方法学基础。