1 / 43

FELSZÍNI VIZEK TRANSZPORTFOLYAMAT AI

FELSZÍNI VIZEK TRANSZPORTFOLYAMAT AI. KOVÁCS ÁDÁM 463-4224 kovax@vcst.bme.hu. DE FINÍCIÓK. EMISSZIÓ [g/s, t/ é v] – SZENNYEZŐANYAG-KIBOCSÁTÁS. HÁTTÉRKONCENTRÁCIÓ [ mg / l, g/ m 3 ] – SZENNYEZŐANYAG KONCENTRÁCIÓ AZ EMISSZIÓS PONT FELETT.

ford
Download Presentation

FELSZÍNI VIZEK TRANSZPORTFOLYAMAT AI

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. FELSZÍNI VIZEK TRANSZPORTFOLYAMATAI KOVÁCS ÁDÁM 463-4224 kovax@vcst.bme.hu

  2. DEFINÍCIÓK • EMISSZIÓ [g/s, t/év] – SZENNYEZŐANYAG-KIBOCSÁTÁS • HÁTTÉRKONCENTRÁCIÓ [mg/l, g/m3]– SZENNYEZŐANYAG KONCENTRÁCIÓ AZ EMISSZIÓS PONT FELETT • IMMISSZIÓ [mg/l, g/m3] – VÍZMINŐSÉGI ÁLLAPOT (KONC.) • TRANSZMISSZIÓ – A KETTŐ KAPCSOLATA: ÁTVITELI TÉNYEZŐ (a12)

  3. Definíciók • TRANSZPORTFOLYAMATOK: TRANSZMISSZIÓT JELLEMZŐ FOLYAMATOK ÖSSZESSÉGE: • - konvekció • - diffúzió • - ülepedés / felkeveredés • - adszorpció / deszorpció • - kémiai reakciók • - biokémiai folyamatok • VÍZ: SZÁLLÍTÓ KÖZEG (ÁRAMLÁSI FOLYAMATOK) • KONZERVATÍV ÉS NEM-KONZERVATÍV TRANSZPORT

  4. KI (2) (1) ellenőrző felület V BE anyagáram ANYAGMÉRLEG tározott tömeg

  5. Anyagmérleg Ha a C koncentráció a keresztmetszet mentén állandó (teljes elkeveredés) Speciális estek: • ha C(t), Q1(t), Q2(t) = áll.  permanens állapot →dC/dt = 0 • ha FORRÁSOK = O, konzervatív anyag(oldott állapotbanlévő, reakcióba nem lépő szennyező) • valós szennyezők: leggyakrabban nem konzervatív, • megjelenik forrás és/vagy nyelőtag (reakciók)

  6. B  H vs A ~ B·H [m2] ANYAGMÉRLEGEGY FOLYÓSZAKASZRA • permanens eset ( E(t)=const., Q(t)=const. ) →dC/dt = 0 • ülepedésre képes szennyező (egyetlen transzportfolyamat)

  7. (1) (2) x Q Q Av Anyagmérleg ülepedő anyagra A, B, H = áll. (prizmatikus meder) BE: KI: c(x) lineáris (feltételezés) NYELŐ: KIÜLEPEDETT ANYAGMENNYISÉG

  8. v vs Anyagmérleg ülepedő anyagra Ha x=O C=Co Exponenciális csökkenés

  9. Ch háttér koncentráció COszennyvízbevezetés alatt Q E=q·c, emisszió hígulási arány CO meghatározása 1D - Teljes elkeveredés (két víz összekeverése) Növekmény:

  10. A megoldás Átviteli tényező Konzervatív anyag!!! Hígulás Ülepedés

  11. ÁLTALÁNOS TRANSZPORTEGYENLET Szennyezőanyag sorsa a felszíni vizekben Szűk értelmezés: csak a fizikai folyamatok (víz szerepe) Tág értelmezés: kémiai, biokémiai, fiziko-kémiai folyamatok is szerepelnek • Elsődleges célok: • Vízminőségi változások számítása az emisszió hatására (növekedés, csökkenés, határérték) • Keveredés térbeli léptéke (térbeli különbözőségek, a partok elérése, teljes elkeveredés) • Szennyvízbevezetések tervezése (sodorvonal, part, partközel vagy diffúzor-sor) • Havária - események modellezése (szennyezőanyag-hullámok vagy időben változó emissziók hatásainakszámítása, early warning - előrejelzés)

  12. v KONVEKCIÓ Általános transzportegyenlet Elvi alapok: hidrodinamikai alapegyenletek: folytonossági egyenlet, dinamikai egyenlet (Reynolds) • Alkalmazási feltételek: • A szennyvízbevezetés az alapáramláshoz viszonyítva nem idéz elő számottevő különbséget (örvénymentes) • A szennyvíz és a befogadó sűrűségkülönbsége kicsi (nincs hőmérséklet-különbség) • A szennyezőanyag konzervatív (nincs forrás / nyelő) DIFFÚZIÓ

  13.  c1 c2  x DIFFÚZIÓ: FICK TÖRVÉNY - c1 c2 szeparált tartályok - csapot kinyitjuk - kiegyenlítődés (Brown-mozgás) - hőmérsékletfüggés FLUXUS (anyagáram) Egységnyi merőleges felületen át, időegység alatt D - molekuláris diffúziótényezője [m2/s]

  14. dz dy dx ANYAGMÉRLEG: KONVEKCIÓ + DIFFÚZIÓ BE: konv. + diff. KI: konv. + diff. x irány BE KI • konvekció • diffúzió VÁLTOZÁS

  15. dz dy dx Anyagmérleg BE: konv. + diff. KI: konv. + diff. x irány

  16. Konvekció Diffúzió Anyagmérleg-egyenlet Konvekció: áthelyeződés Diffúzió: szétterülés Ha D(x) = const. x irányban konvekció - diffúzió 1D egyenlete A többi irány esete teljesen hasonló

  17. x, y, z irányok (3D): Konvekció: az áramlási sebességtől függően az eltérő koncentráció értékkel jellemzett részecskék egymáshoz viszonyítva különböző mértékben mozdulnak el. Diffúzió: a szomszédos vízrészecskék egymással való elkeveredése, koncentráció kiegyenlítődéshez vezet. D – molekuláris diffúziós tényező; anyagjellemző, víz: 10-4 cm2/s iránytól nem függ (izotróp) lassú keveredés és kiegyenlítődés

  18. v*eltérés, pulzáció 0 ÁRAMLÁSOK • Lamináris: Rendezett, réteges áramlás, közel párhuzamos • áramvonalak mentén • Turbulens: Gomolygó, rendezetlen, véletlen áramlás • (mind nagyság, mind irány szerint) a felületek érdessége • miatt (súrlódás), intenzív keveredést idéz elő • Természetes folyók: szinte mindig turbulensek v (c) Rendszerint csak az átlagérték ismert  átlag t T Turbulencia időléptéke

  19. Turbulens transzport leírása • Konvekció: v·c [ kg/m2·s ] 0 ? 0

  20. v turbulens diffúzió molekuláris diffúzió Turbulens diffúzió x irány (a többi hasonló) Fick törvény analógiája → az eredeti transzport egyenlet nem változik meg, csak a D paraméter jelentése Dtx, Dty, Dtz>> D Irányfüggő (anizotróp) A sebességtér függvénye, nem anyagi jellemző

  21. 3D transzport egyenlet turbulens áramlásban: Dx = D + Dtx, Dy = D + Dty, Dz = D + Dtz Időbeli átlagolás! (T) Konvekció Diffúzió Turbulens diffúzió Sebesség véletlenszerű ingadozásai (pulzációk) Matematikailag diffúziós folyamatként kezelendő (~ Fick) Konvektív transzport! (időbeli különbözőségek)

  22. x H v z TÉRBELI EGYSZERŰSÍTÉSEK (2D, 1D) Mélység menti sebességprofil Sebesség mélység menti átlaga Mélység mentén integrálunk (3D2D): v 0 A konvektív tag (v · c) kifejtése után x irányban: Turbulens diszperzió (~ diffúzió)

  23. 2D transzportegyenlet turbulens áramlásban (H menti átlag): Dx*, Dy*2D egyenlet turbulens diszperziós tényezői Mélység menti átlag (H) 1D transzportegyenlet turbulens áramlásban ( A menti átlag): Dx** 1D egyenlet turbulens diszperziós tényezője Keresztszelvény területre vonatkoztatott átlag (A)

  24. v Turbulens diszperzió A térbeli egyenlőtlenségekből adódó konvektív transzport (az átlaghoz képest előresiető, visszamaradó részecskék) Csak 2D ill. 1D egyenletekben! Diszperziós tényező: A sebességtér függvénye (hidraulikai jellemzők, medergeometria stb.) Dx* = Ddx+ Dtx + DDy* = Ddy+ Dty+ D Dx** = Ddxx + Ddx+ Dtx + D Dx*, Dy* >> Dx Dx** >> Dx* Szabálytalanabb vízfolyásban nagyobb Minél nagyobb az átlagolandó felület, annál nagyobb az értéke; Lamináris áramlásban is létezik!

  25. 10-8 10-6 10-4 10-2 1 102 104 106 108 cm2/s 1D Hosszir. turb. diszperzió (x) Diffúziós tényezők nagyságrendje 2D Hosszir. turb. diszperzió (x) 2D Keresztir. turb. diszperzió (y) 3D Vízsz. turb. diffúzió (x, y) 3D Függ. turb. diffúzió (z) Mély Sekély Mol. diffúzió (x, y, z) Pórusvíz

  26. Diszperziós tényező meghatározása: nyomjelzős mérések Mérés nyomjelző anyaggal (pl. festék, lassan bomló izotóp) Inverz számítási feladat a mért koncentráció-értékekből

  27. Diszperziós tényezők becslése tapasztalati képletekkel Sebességtér: turbulens ingadozás, egyenlőtlen eloszlás • Keresztirányú diszperziós tényező (Fischer): • Dy*= dy·u*·R (m2/s) • dy– dimenzió nélküli keresztirányú diszperziós tényező • egyenes, szabályos csatorna dy 0.15 • enyhén kanyargós meder dy  0.2 – 0.6 • kanyargós, tagolt meder dy> 0.6 (1-2) • u* - fenékcsúsztató sebesség • u* = (g·R·I)0.5 Hosszirányú diszperziós tényező: dx 6 (2D), dxx 100-1000 (1D)

  28. Analitikus megoldások csak egyszerűbb esetekben vezethetőek le közelítő számítások TRANSZPORTEGYENLET ANALITIKUS MEGOLDÁSAI Szennyezőanyagok permanens elkeveredése Szennyezőanyag-hullám levonulása Fő lépések: Geometriai és hidraulikai paraméterek becslése Pontosabb számítások mérések alapján, numerikus módszerekkel

  29. × ¶ ¶ ( h c ) ¶ ¶ ¶ ¶ c c + × + × = ( h v c ) ( h v c ) × + × ( h D ) ( h D ) x y ¶ ¶ ¶ t x y x y ¶ ¶ ¶ ¶ x x y y ¶ ¶ 2 c c = v D x y ¶ ¶ 2 x y Konvekció áthelyeződik Diszperzió szétterül PERMANENS ELKEVEREDÉS Időben állandósult szennyezőanyag-emisszió Permanens kisvízi vízhozam Állandó sebesség, vízmélység és diszperziós tényezők 2D-egyenlet, mélység menti változás elhanyagolása (sekély folyó) Kezdeti feltétel: M0 (x0, y0) - emisszió Peremfeltétel: ¶c/¶y= 0a partnál

  30. · M [kg/s] cmax x B y cmax 2 D x y s = y v x Sodorvonali bevezetés - 2 M v y c (x, t) = x exp( ) P 4 D x 2 h D v x y y x Hosszirányban: x-½függvény szerint Keresztirányban: Gauss (normál) - eloszlás

  31. · M L 1 = × × s B 2 2 . 15 Bcs: 0.1 cmax-nál cs csóvaszélesség 2 D x v y = = 2 x B 4 . 3 L 0 . 027 B B ~ Bcs 1 cs D v y x első elkeveredési távolság Sodorvonali bevezetés C (x1, y) Bb x B y x1

  32. · M · - 2 M v y = x c exp( ) P 4 D x cmax h D v x y y x 2 D x v y = = 2 x B 2 . 15 L 0 . 11 B 1 b D v y x Parti bevezetés x C (x1, y) y B x1

  33. · M cmax Partközeli bevezetés y0 x C (x1, y) y B x1 · M ( y-y0 )2 ( y+y0 )2 -v -v = x x c (exp ( ) +exp ( )) P 4 Dy x 4 Dy x D v x 2h y x

  34. · · · M1 M1* M1** Partélek figyelembevétele (teljes folyószakasz) Peremfeltétel: tükrözési elv alkalmazása C (M1) 2B B Ctükr = C (M1) + C (M1*) 2B B C (M1*)

  35. n=∞ ∑ M ( y-y0 +2nB)2 -v n=−∞ ( = x c exp ( ) P 4 Dy x 2h D v x y x -v ( y+y0 -2nB)2 ) x ) + exp ( 4 Dy x Partélek figyelembevétele (teljes folyószakasz) Matematikai leírás: végtelen sor megjelenése A parttól y0 távolságra lévő bevezetés esetén: · Teljes elkeveredés: a koncentráció keresztszelvény menti változása 10 %-nál kisebb L2~ 3L1 második elkeveredési távolság

  36. · · M2 M1 Több szennyezőforrás esete C1 C = C1 + C2 C2 Több bevezetési pont vagy diffúzor sor: szuperpozíció elve Elkülönített számítás minden egyes bevezetési pontra majd összegzés

  37. ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ c c c + + ( v c ) = ( D ) ( D ) x ¶ ¶ x y ¶ ¶ ¶ ¶ t x x x y y NEM-PERMANENS EMISSZIÓ: SZENNYEZÉS HULLÁM Lökésszerű, havária-jellegű terhelések Időben erősen változó terhelések 2D-esetben

  38. ¶C C + = v x ¶ ¶ t x ¶ 2 C D x ¶ 2 x - - 2 ( x v t ) G = x C exp( ) P 4 D t 2 A D t x x Lökésszerű terhelés 1D-esetben (keskeny és sekély folyók)

  39. s = G 2 D t = Cmax x x P 2 A D t = x L 4 . 3 s c x Lökésszerű terhelés C (t1,x) C C (t2,x) Lc1 Lc2 x x1 = vx t1 x2 = vx t2 Egy rögzített pillanatban (x/vx)

  40. A tiszai cianid szennyezés levonulása

  41. L c2 G [kg] B c2 cmax - - 2 2 G ( x v t ) y = - x c exp( ) P 4 D t 4 D t 4 ht D D x y y x s = 2 D t x x = = L 4 . 3 B 4 . 3 c x c y Lökésszerű terhelés C (t2, x, 0) C (t2, x2, y) x B x1=vt1 y x2=vt2 s = 2 D t y y s s

  42. · D - - - - D 2 n M t ( x v ( t ( i 1 ) t )) å = i x C exp( ) P - - D - - D 1 / 2 2 A ( D ( t ( i 1 ) t ) 4 D ( t ( i 1 ) t ) = i 1 x x · M [ kg / s ] i t i=n i=1 D t Időben változó kibocsátás Diszkretizálás elemi egységekre (közel konstans terheléssel) majd szuperpozíció (egymást követő lökésszerű terhelések) Gi ~ Mi·Δt t - (i-1) ·Δt ≥ 0

  43. TRANSZPORTEGYENLET NEM-KONZERVATÍV ANYAGOKRA • Források és nyelők vannak az áramlási térben • Kémiai, biokémiai, fizikai átalakulások történnek • Nem konzervatív szennyező: reakciókinetikai tag ( R(C) ) • Figyelembe vétele lineáris közelítéssel történik: dC/dt = ±·C, ahol  a reakciókinetikai tényező (rendszerint elsőrendű kinetika) 1D egyenlet ebben az esetben: • Több szennyező egymásra hatása: C1,C2, .. Cn számú egyenlet!

More Related