1 / 34

TRANSZPORT FOLYAMATOK

TRANSZPORT FOLYAMATOK. Szennyezőanyag sorsa a felszíni vizekben Szűk értelmezés: csak a fizikai folyamatok (víz szerepe) Tág értelmezés: kémiai, biokémiai, fizikai folyamatok is szerepelnek. Alkalmazás: Vízminőségi változások számítása az emisszió hatására (növekedés, csökkenés, határérték)

keelty
Download Presentation

TRANSZPORT FOLYAMATOK

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. TRANSZPORT FOLYAMATOK Szennyezőanyag sorsa a felszíni vizekben Szűk értelmezés: csak a fizikai folyamatok (víz szerepe) Tág értelmezés: kémiai, biokémiai, fizikai folyamatok is szerepelnek • Alkalmazás: • 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)

  2. Vízminőségi monitoring Reprezentatív mintavételi hely(ek) kiválasztása a víztest állapota, a szennyezés hatásának kimutatása szempontjából Elkeveredési zóna Vizsgálat célja: Feltáró monitoring, Operatív monitoring, Vizsgálati monitoring

  3. Duna vízminőségének változása Szobnál (2001-2003)

  4. Keveredési zóna 2008/105/EC 10/2010 (VIII.18) VM rend. A keveredési zónában az EQS túllépés megengedett! Meghatározás: Áramlási viszonyok befolyásolják L = F (B2, Dy, vx) CIS útmutató: több lépéses vizsgálat: - jelentős-e a terhelés? - egyszerűsített számítás (elkeveredés utáni koncentráció növekmény az EQS %-ában) - modell (2D, 3D) Gyakorlat: L = 10 x B (m), vagy L =1 km (B<100m), feltételezve, hogy L < a víztest teljes hosszának 10%-a

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

  6. 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)

  7. v KONVEKCIÓ DIFFÚZIÓ ÁLTALÁNOS TRANSZPORTEGYENLET • Alkalmazási feltételek: • A szennyezőanyagbevezetés az alapáramláshoz viszonyítva nem idéz elő számottevő sebességkülönbséget, • A szennyezőanyag és a befogadó sűrűségkülönbsége kicsi, • Konzervatív anyag

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

  9. diffúzió • megváltozás ANYAGMÉRLEG dz BE: konv +diff KI: konv + diff dy dx x irány BE KI • konvekció • vx c dy dz

  10. dz BE: konv +diff KI: konv + diff dy dx ANYAGMÉRLEG x irány

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

  12. Három dimenzióban (3D): x, y, z irányok Konvekció: az áramlási sebességtől függően az eltérő koncentráció értékkel jellemzett részecskék egymáshoz viszonyítva különböző mértékben mozdulnak el. Diffúzió: a szomszédos vízrészecskék egymással való (lassú) elkeveredése, koncentráció kiegyenlítődéshez vezet. D – a molekuláris diffúziós tényező (anyagjellemző, izotróp, víz - 10-4 cm2/s) Kiterjesztése: turbulens diffúzió és diszperzió (azonos alakú egyenlettel, csak D értelmezése lesz más és megjelenik h vagy A)

  13. v turbulens diffúzió (“felhő”) molekuláris diffúzió TURBULENS DIFFÚZIÓ Dtx, Dty, Dtz>> D

  14. 3D transzport egyenlet turbulens áramlásban: Dx = D + Dtx, Dy = D + Dty, Dz = D + Dtz • Konvekció: átlagsebesség (T) és a pulzációk hatása, utóbbi a diffúziós tagban jelenik meg! • Turbulens diffúzió • - Sebesség véletlenszerű ingadozásai (pulzációk) • - Matematikailag diffúziós folyamatként kezelendő • - Hely- és irányfüggő (nem homogén, anizotróp) • - Turbulenciakutatás és empirikus összefüggések

  15. v DISZPERZIÓ A térbeli egynlőtlenségekből adódó konvektív transzport (az átlaghoz képest előresiető, visszamaradó részecskék) • Dx* = D + Dtx + Ddx • - Csak 2D és 1D egyenletekben létezik (argumentum: pl. (hvxc)) • - Diszperziós tényező: a sebességtér függvénye • - Víz és légkör (kanyarok, esés, stabilitás, inverzió stb.) • - Minél nagyobb az átlagolandó felület, annál nagyobb az értéke • - 2D eset: Dx*, Dy* >> Dx • - 1D eset: Dx** >> Dx* • - Lamináris áramlásban is létezik!

  16. 2D transzport egyenlet turbulens áramlásban (koncentr. H menti átlag): - Dx*, Dy* 2D egyenlet turbulens diszperziós tényezői (Taylor) - Mélység mentén vett átlag (H) 1D transzport egyenlet turbulens áramlásban ( A menti átlag): - Dx** 1D egyenlet turbulens diszperziós tényezője - Keresztszelvény területre vonatkoztatott átlag (A)

  17. Hosszir. diszperzió (1D) Hosszir. diszperzió (2D) Keresztir. diszperzió (2D) Vízsz. ir. turbulens diff. Tavak Függ. ir. turbulens diff. Mély réteg Felszíni réteg Molek. diff. pórusvíz 10-8 10-6 10-4 10-2 1 102 104 106 108 cm2/s NAGYSÁGRENDEK

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

  19. Diszperziós tényezők becslése (empíriák) • Keresztirányú diszperziós tényező (Fischer): • Dy*= dy u*R (m2/s) • dy– dimenzió nélküli konstans, • 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* = (gRI)0.5 • R – hidraulikai sugár (terület/kerület); I esés (-) Hosszirányú diszperziós tényező: dx 6

  20. Analitikus megoldások csak egyszerűbb esetekben vezethetőek le közelítő számítások TRANSZPORTEGYENLET ANALITIKUS MEGOLDÁSAI Szennyezőanyagok permanens elkeveredése Szennyezőanyag-hullám levonulása Fő lépések: Medergeometria, sebesség, vízmélység (mérés, számítás) Diszperziós tényező(k) 2D, 1D Pontosabb számítások mérések alapján, numerikus módszerekkel (kalibrálás, igazolás)

  21. × ¶ ¶ ( 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

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

  23. · M = × × s B 2 2 . 15 Bcs: 0.1 cmax-nál cs csóvaszélesség 2 D x y = B 4 . 3 cs v x Sodorvonali bevezetés C (x1, y) Bcs x B y xL1 x1 v = B ~ Bcs xL 2 x 0 . 027 B 1 D y első elkeveredési távolság (part elérése)

  24. · M - 2 M v y = x C (x,y) exp( ) P 4 D x h D v x y y x cmax 2 D x y = B 2 . 15 cs v x Parti bevezetés x C (x1, y) y B x1 Part elérése: v = xL 2 x 0 . 11 B 1 D y

  25. · M cmax Partközeli bevezetés (általános alak) 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 y0 = 0 → parti y0 = B/2 → sodorvonali

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

  27. 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

  28. · · 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

  29. ¶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 (szennyezés hullám) 1D-esetben (keskeny és sekély folyók) G (x0, y0) – szennyező tömege

  30. 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)

  31. DIFFÚZIÓS HULLÁM

  32. 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

  33. · 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

  34. 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