Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

FELSZÍNI VIZEK TRANSZPORTFOLYAMATAI KOVÁCS ÁDÁM 463-4224 U épület 13. szoba

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "FELSZÍNI VIZEK TRANSZPORTFOLYAMATAI KOVÁCS ÁDÁM 463-4224 U épület 13. szoba"— Előadás másolata:

1 FELSZÍNI VIZEK TRANSZPORTFOLYAMATAI KOVÁCS ÁDÁM U épület 13. szoba

2 DEFINÍCIÓK EMISSZIÓ [g/s, t/év] – SZENNYEZŐANYAG-KIBOCSÁTÁS IMMISSZIÓ [mg/l, g/m 3 ] – VÍZMINŐSÉGI ÁLLAPOT (KONC.) TRANSZMISSZIÓ – A KETTŐ KAPCSOLATA: ÁTVITELI TÉNYEZŐ (a 12 ) [s/m 3 ] HÁTTÉRKONCENTRÁCIÓ [mg/l, g/m 3 ] – SZENNYEZŐANYAG KONCENTRÁCIÓ AZ EMISSZIÓS PONT FELETT Emisszió megváltozása

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

5 Ha a C koncentráció a keresztmetszet mentén állandó (teljes elkeveredés (1 D), a kibocsátástól elegendően távol) ha C(t), Q 1 (t), Q 2 (t) = áll.  permanens állapot → dC/dt = 0 ha FORRÁSOK = O, konzervatív anyag (oldott állapotban lévő, reakcióba nem lépő szennyező) valós szennyezők: leggyakrabban nem konzervatív, megjelenik forrás és/vagy nyelőtag (reakciók) Speciális estek: Anyagmérleg

6 ANYAGMÉRLEG EGY FOLYÓSZAKASZRA permanens eset ( E(t)=const., Q(t)=const. ) → dC/dt = 0 ülepedésre képes szennyező (egyetlen transzportfolyamat) B vsvs A ~ B · H [m 2 ]  H

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

8  v vsvs Ha x = O C = C o Exponenciális csökkenés Anyagmérleg ülepedő anyagra

9 C O szennyvízbevezetés alatt C O meghatározása Q E=q·c, emisszió C h háttér koncentráció 1D - Teljes elkeveredés (két víz összekeverése) Növekmény: hígulási arány

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

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 hatásainak számítása, early warning - előrejelzés)

12 Általános transzportegyenlet 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) Elvi alapok: hidrodinamikai alapegyenletek: folytonossági egyenlet, dinamikai egyenlet (Reynolds) Eredmény: áramlási sebesség tér (input) DIFFÚZIÓ KONVEKCIÓ v

13 KONVEKCIÓ – áramlás hatása KONVEKCIÓ – áramlás hatása FLUXUS (anyagáram) v (x, y, z, t) – időben és térben változó áramlási sebesség [m/s] Egységnyi merőleges felületen át, időegység alatt

14 DIFFÚZIÓ: FICK TÖRVÉNY DIFFÚZIÓ: FICK TÖRVÉNY - c 1  c 2 szeparált tartályok - csapot kinyitjuk - kiegyenlítődés (Brown-mozgás) FLUXUS (anyagáram) D - molekuláris diffúzió tényezője [m 2 /s] - hőmérsékletfüggés Egységnyi merőleges felületen át, időegység alatt c1c1 c2c2  xx  

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

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

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

18 x, y, z irányok (3D): D – molekuláris diffúziós tényező; anyagjellemző, víz: cm 2 /s iránytól nem függ (izotróp) lassú keveredés és kiegyenlítődés Konvekció: az áramlási sebességtől függően az eltérő koncentráció értékkel jellemzett részecskékegymáshoz viszonyítva különböző mértékben mozdulnak el. Diffúzió: a szomszédos vízrészecskék egymással való elkeveredése, koncentráció kiegyenlítődéshez vezet.

19 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 v (c) t v * eltérés, pulzáció T Turbulencia időléptéke  átlag 0 Rendszerint csak az átlagérték ismert Természetes folyók: szinte mindig turbulensek

20 Turbulens transzport leírása Konvekció: v · c [ kg/m 2 · s ] 0 0 ?

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

22 3D transzport egyenlet turbulens áramlásban: Konvekció Diffúzió Turbulens diffúzió Sebesség véletlenszerű ingadozásai (pulzációk) Matematikailag diffúziós folyamatként kezelendő (~ Fick) Konvektív transzport! (időbeli különbözőségek) D x = D + D tx, D y = D + D ty, D z = D + D tz Időbeli átlagolás! (T)

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

24 2D transzportegyenlet turbulens áramlásban (H menti átlag): D x *, D y * 2D egyenlet turbulens diszperziós tényezői 1D transzportegyenlet turbulens áramlásban ( A menti átlag): D x ** 1D egyenlet turbulens diszperziós tényezője Keresztszelvény területre vonatkoztatott átlag (A) Mélység menti átlag (H)

25 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.) D x * = D dx + D tx + D D y * = D dy + D ty + D D x ** = D dxx + D dx + D tx + D D x *, D y * >> D x D x ** >> D x * Szabálytalanabb vízfolyásban nagyobb Minél nagyobb az átlagolandó felület, annál nagyobb az értéke; Lamináris áramlásban is létezik! v

26 Diffúziós/diszperziós tényezők nagyságrendje cm 2 /s Pórusvíz Mol. diffúzió (x, y, z) 3D Függ. turb. diffúzió (z) Mély Sekély 2D Keresztir. turb. diszperzió (y) 3D Vízsz. turb. diffúzió (x, y) 2D Hosszir. turb. diszperzió (x) 1D Hosszir. turb. diszperzió (x)

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

28 Diszperziós tényezők becslése tapasztalati képletekkel Keresztirányú diszperziós tényező (Fischer): D y * = d y · u * · R (m 2 /s) d y – dimenzió nélküli keresztirányú diszperziós tényező egyenes, szabályos csatorna d y  0.15 enyhén kanyargós meder d y  0.2 – 0.6 kanyargós, tagolt meder d y > 0.6 (1-2) u* - fenékcsúsztató sebesség u* = (g · R · I) 0.5 Hosszirányú diszperziós tényező: d x  6 (2D), d xx  (1D) Sebességtér: turbulens ingadozás, egyenlőtlen eloszlás

29 TRANSZPORT EGYENLET ALKALMAZÁSA 1.Hidrodinamikai egyenletek  sebességtér 2.3D transzport egyenlet 3.Egyszerűsítések: 3D  2D, 3D  1D 4.Diszperziós tényező becslése (mérés, empíriák) 5.Analitikus / numerikus megoldások 6.Nem konzervatív szennyező: reakciókinetikai tag (  R(C) )

30 TRANSZPORTEGYENLET ANALITIKUS MEGOLDÁSAI Szennyezőanyagok permanens elkeveredése (szennyvíz-bevezetés) Szennyezőanyag-hullám levonulása (balesetek, tározó leürítés) Geometriai és hidraulikai paraméterek becslése (helyszíni bejárás, irodalom) Pontosabb számítások mérések alapján, numerikus módszerekkel Analitikus megoldások csak egyszerűbb esetekben vezethetőek le közelítő számítások Fő lépések:

31          )()( )( cvh y cvh xt ch yx )()( y c Dh yx c Dh x yx            2 2 y c D x c v yx      PERMANENS ELKEVEREDÉS Időben állandósult szennyezőanyag-emisszió Permanens kisvízi vízhozam Állandó sebesség, vízmélység és diszperziós tényezők 2D-egyenlet, mélység menti változás elhanyagolása (sekély folyó) Konvekció áthelyeződik Diszperzió szétterül Kezdeti feltétel: M 0 (x 0, y 0 ) - emisszió Peremfeltétel:  c/  y = 0 a partnál

32 x y y v xD2  Sodorvonali bevezetés Hosszirányban: x -½ függvény szerint Keresztirányban: Gauss (normál) - eloszlás  M [kg/s] c max ) 4 exp( 2 2 xD yv xvDh M c (x, y) y x xy    Sűrűség fv.:

33 x y cs v xD B  B cs : 0.1 c max -nál  cs B csóvaszélesség B ~ B cs B D v L y x  első elkeveredési távolság  M 1 L BbBb C (x 1, y) x1x1 Sodorvonali bevezetés

34 Parti bevezetés  M x y b v xD B  B D v L y x  ) 4 exp( 2 xD yv xvDh M c y x xy     c max C (x 1, y) x1x1

35  M Partközeli bevezetés ) 4 (exp ( xDyDy ( y-y 0 ) 2 -v xvD 2h M c x xy    c max )) 4 +exp ( xDyDy ( y+y 0 ) 2 -v x y0y0 C (x 1, y) x1x1

36 Partélek figyelembevétele (teljes folyószakasz) Peremfeltétel: tükrözési elv alkalmazása B  M1M1 B 2B  M1*M1*  M 1 ** C (M 1 ) C (M 1 * ) C tükr = C (M 1 ) + C (M 1 * )

37 Teljes elkeveredés: a koncentráció keresztszelvény menti változása 10 %-nál kisebb L 2 ~ 3L 1 második elkeveredési távolság A parttól y 0 távolságra lévő bevezetés esetén: xvD2h M c xy ) 4 exp ( xDyDy ( y-y 0 +2nB) 2 -v x   ) 4 + exp ( xDyDy ( y+y 0 -2nB) 2 -v x ∑ n= ∞ n=− ∞ ( ) Matematikai leírás: végtelen sor megjelenése  Partélek figyelembevétele (teljes folyószakasz)

38  M2M2 Több bevezetési pont vagy diffúzor sor: szuperpozíció elve Elkülönített számítás minden egyes bevezetési pontra majd összegzés  M1M1 C = C 1 + C 2 C2C2 C1C1 Több szennyezőforrás esete

39       )(cv xt c x )()( y c D yx c D x yx          NEM-PERMANENS EMISSZIÓK TRANSZPORTJA Lökésszerű, havária-jellegű terhelések Időben erősen változó terhelések 2D-esetben (sekély folyók)

40 ) 44 )( exp( 4 22 tD y tD tvx DDht G c yx x xy     tD xx 2  tD yy 2   xc L3.4  yc B3.4  G [kg] c2 B L x 2 =vt 2 c max x 1 =vt 1 C (t 2, x, 0) C (t 2, x 2, y) Lökésszerű terhelés

41 1D-esetben (keskeny és sekély folyók)   CC    x v t C x 2 2 x C D x   2 ) 4 )( exp( 2 tD tvx tDA G C x x x    Lökésszerű terhelés

42 2tDA G C max x   Egy rögzített pillanatban (x/v x ) x C C (t 1,x) C (t 2,x)  xc L3.4  tD xx 2  x 1 = v x t 1 x 2 = v x t 2 L c1 L c2 Lökésszerű terhelés

43 A tiszai cianid szennyezés levonulása

44 ) ))1((4 )))1((( exp( ))1((( /1 titD titvx titDA tM C x x n i x i         Időben változó kibocsátás ]/[skgM i  t  t i=1 i=n Diszkretizálás elemi egységekre (közel konstans terheléssel) majd szuperpozíció (egymást követő lökésszerű terhelések) G i ~ M i · Δtt - (i-1) · Δt ≥ 0

45 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: C 1,C 2,.. C n számú egyenlet!


Letölteni ppt "FELSZÍNI VIZEK TRANSZPORTFOLYAMATAI KOVÁCS ÁDÁM 463-4224 U épület 13. szoba"

Hasonló előadás


Google Hirdetések