Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

TRANSZPORTFOLYAMATOK II TRANSZPORTFOLYAMATOK II Dr. Clement Adrienne egy. docens Dr. Koncsos László egy. docens Kovács Ádám Sándor egy. tanársegéd Tombor.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "TRANSZPORTFOLYAMATOK II TRANSZPORTFOLYAMATOK II Dr. Clement Adrienne egy. docens Dr. Koncsos László egy. docens Kovács Ádám Sándor egy. tanársegéd Tombor."— Előadás másolata:

1 TRANSZPORTFOLYAMATOK II TRANSZPORTFOLYAMATOK II Dr. Clement Adrienne egy. docens Dr. Koncsos László egy. docens Kovács Ádám Sándor egy. tanársegéd Tombor Katalin doktorandusz BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék

2 Duna vízminőségének változása Szobnál ( )

3

4

5

6 Tiszaújváros: AES Tisza II Hőerőmű

7

8

9

10 FÜSTCSÓVA ELKEVEREDÉS

11

12 CSÓVA SZÁMÍTÁSA : GAUSS ELOSZTÁS ÉS MÓDSZER Koncentráció számítása (3 dimenzió, konzervatív anyag):

13 v: Szélsebesség  : Távolságtól függő szórás, függ a légkör stabilitásától Meghatározása: - diagramm segítségével - számítással - számítással H: Effektív kéménymagasság (h + Δh) Kéményméretezés: Emisszió (M), szélsebesség (v) ismert feladat: x, y, z pontban adott határérték kémény milyen H magas legyen? Koncentráció számítása (3 dimenzió, konzervatív anyag):

14 LÉGSZENYEZÉS: CSÓVA ALAKJA A PONTFORRÁS KÖRÜL ISC-AERMOD (www.lakes-environmental.com)

15

16

17

18 SZENNYVÍZBEVEZETÉS FOLYÓBA: SZENNYEZŐANYAG CSÓVA c max  M [kg/s] c max ) 4 exp( 2 2 xD yv xvDh M C(x,y) y x xy    Csóva alakja: normál eloszlás (Gauss) c max B D v L y x  Első elkeveredési távolság (part elérése): V x : sebesség (m/s) D y : keresztiráyú diszperziós tényező (m 2 /s)

19 SZENNYEZŐANYAG-HULLÁM LEVONULÁSA FOLYÓBAN Lökésszerű, havária-jellegű terhelések Időben erősen változó terhelések Analitikus megoldás: X v x : sebesség (konst,), D x : diszperziós tényező (konst.) Alapegyenlet (1 dimenzióban):

20 DIFFÚZIÓS HULLÁM

21

22

23 © Koncsos L. ZALAVÍZ ELKEVEREDÉSE: 2 D TRANSZPORT

24 © Koncsos L. KESZTHELYI MEDENCE: RÉSZECSKE SZIMULÁCIÓ

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36 Tiszaújváros: vízkivétel és melegvíz visszavezetés

37 Áramkép: a bevezetés módja, a folyó- és a hűtővíz aránya, a sebesség-, sűrűség- és impulzus viszonyok függvénye. A melegvíz L H távolságban veszi fel a folyó mozgás- állapotát („near field”). L HI távolságban a hőmér- sékletek kiegyenlítődnek a turbulens elkeveredés eredményeképpen a kereszt- szelvényben, végül L HJ távolságban bekövetkezik a visszahűlés („far field”).

38 Tisza: hőmérséklet eloszlás a melegvíz csóvában

39

40 A szennyezés terjedése a talajvízben

41 A Bioscreen területspecifikus input adatainak meghatározása  Yo1=8,5 m, Yo2=10,8 m, Yo3=7,7 m  Co1=0,45 mg/l, Co2=2,1 mg/l, Co3=4,1 mg/l  Lp=69,7 m  Forrászóna vastagsága a telített zónában=3 m  NAPL tömege= 2000 kg  Modellezet területszélessége= 99 m  Hosszúsága= 142 m

42 A modell futtatása 1D-ban a csóva középvonalára

43 A modell futtatása 2D-ban a biodegradáció elhanyagolásával

44 A modell futtatása 2D-ban a biodegradációt első rendű kinetikával jellemezve

45 A modell futtatása 2D-ban a biodegradációt a pillanatnyi reakció-modellel közelítve

46 2001. Talajvízben oldott TPH Budapest Rákosrendező pályaudvar

47 2006. Talajvízben oldott TPH Budapest Rákosrendező pályaudvar

48 Néhány megvalósítható alternatíva Lokalizáció Résfal építése Budapest Rákosrendező pályaudvar

49 Vízfolyás által drénezett terület meghatározása (Tilaj, 2004)

50 Az osztott paraméterű lefolyásmodell elvi felépítése

51 SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐ: felszíni lefolyás modellezése

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63 PROBLÉMÁK / KÉRDÉSEK 1.Szennyezőanyagok „sorsa” a környezetben: transzport + reakciók 2.Környezet: folyók, tavak, felszín alatti vizek, légkör 3.Szennyvízbevezetések, kémények stb. tervezése 4.Vízkivételek és szennyvízbevezetések egymáshoz viszonyított helyzete 5.Az elkeveredés távolságai 6.Haváriavédelem, „early warning” 7.Víz- és levegőminőség változás és jellegük? (hosszútáv, trendek)

64 A MEGOLDÁS LÉPÉSEI 1.A probléma definiálása 2.A helyszín bejárása 3.Milyen lépték és dimenzió a meghatározó? Mi hanyagolható el? Permanens, nem-permanens? Reakciók szerepe? 4.Egyszerűsített egyenlet (permanens, 1 D stb.) 5.Van közelítő analitikus megoldás? 6.Megoldás és érzékenységvizsgálat 7.Szükséges a pontosítás? Numerikus modellek (fejlesztés, szofver vásárlás, megértés?). Euler-i és Lagrange-i közelítás 8.Helyszíni mérés 9.Az elemzés költségei?

65 TRANSZPORT FOLYAMATOK II. 1.Általános transzportegyenlet 2.Analitikus megoldások 3.Elkeveredés vízben: csóva, szennyezés hullám 4.Példák, házi feladat 5.Felszín alatti vizek: hidrodinamika, transzport 6.Szennyezőanyag terjedés számítása talajvízben 7.Légköri transzport: Poisson egyenlet, légkör stabilitása, füstcsóva elkeveredése 8.Kéményméretezés 9.Vizsga (írásbeli)

66 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 ) HÁTTÉRKONCENTRÁCIÓ [mg/l, g/m 3 ] – SZENNYEZŐANYAG KONCENTRÁCIÓ AZ EMISSZIÓS PONT FELETT

67 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

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

69 Ha a C koncentráció a keresztmetszet mentén állandó (teljes elkeveredés) 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

70 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

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

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

73 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

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

75 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)

76 ISMERETLENEK ÉS EGYENLETEK (1) 1.Sebesség (3 komponens – v x, v y, v z ) - mozgásegyenlet 2.Nyomás vagy vízmélység (p, h) - kontinuitás 3.Koncentráció (c) – transzportegyenlet (konzervatív anyag?) 4.Sűrüség: ρ(c) – empirikus kapcsolat Elvileg 6 szimultán egyenletet kell megoldani! Elvileg 6 szimultán egyenletet kell megoldani! Gyakorlat: ρ ≠ ρ(c) Gyakorlat: ρ ≠ ρ(c) megoldása: áramlástan megoldása: áramlástan

77 ISMERETLENEK ÉS EGYENLETEK (2) 3. megoldása: transzport 3. megoldása: transzport „Near field” és „far field” szétválasztása (utóbbit a sebességkülönbségek eltűnése jellemzi) „Near field” és „far field” szétválasztása (utóbbit a sebességkülönbségek eltűnése jellemzi) A sebességtér és a nyomás számításból, becslésből vagy mérésből nyerhető A sebességtér és a nyomás számításból, becslésből vagy mérésből nyerhető A turbulens diffúzió tényezője ismeretlen: empíria, mérések, „inverz” feladat A turbulens diffúzió tényezője ismeretlen: empíria, mérések, „inverz” feladat Geometria és a perem származtatása fontos Geometria és a perem származtatása fontos Perem- és kezdeti feltételek Perem- és kezdeti feltételek

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

79 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  

80 dx dy dz ANYAGMÉRLEG BE: konv +diffKI: konv + diff x irány BEKI konvekció v x c dy dz megváltozás diffúzió

81 ANYAGMÉRLEG dx dy dz BE: konv +diffKI: konv + diff x irány

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

83 DIFFÚZIÓS HULLÁM

84 Három dimenzióban (3D): x, y, z irányok D – a molekuláris diffúziós tényező (anyagjellemző, izotrróp, víz cm 2 /s) Kiterjesztése: turbulens diffúzió és diszperzió (azonos alakú egyenlettel, csak D értelmezése lesz más és megjelenik h vagy A) 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.

85 ÁRAMLÁSOK LAMINÁRIS: RÉTEGES, RENDEZETT TURBULENS: GOMOLYGÓ, RENDEZETLEN, VÉLETLEN a felületek érdessége (súrlódás), intenzív keveredést idéz elő t vv ’ eltérés, pulzáció T a turbulencia időléptéke 0  átlag

86 TRANSZPORT KONVEKCIÓ : vc [ kg/m 2 s ] HOGYAN ALAKUL TURBULENS ÁRAMLÁSBAN? 0 0 ?

87 TURBULENS DIFFÚZIÓ v turbulens diffúzió (“felhő”) molekuláris diffúzió D tx, D ty, D tz >> D

88 3D transzport egyenlet turbulens áramlásban: D x = D + D tx, D y = D + D ty, D z = D + D tz Sebességek kiemelése - kontinuitás Konvekció: átlagsebesség (T) Turbulens diffúzió - Sebesség véletlenszerű ingadozásai (pulzációk) - Matematikailag diffúziós folyamatként kezelendő - Hely- és irányfüggő (nem homogén és anizotróp) - Turbulenciakutatás és empirikus összefüggések

89 DISZPERZIÓ DISZPERZIÓ Mélység menti átlagsebesség v O H A konvektív tag kifejtése után (vC): Mélység mentén integrálunk (3D  2D): diszperzió z x

90 DISZPERZIÓ DISZPERZIÓ A térbeli egynlőtlenségekből adódó konvektív transzport (az átlaghoz képest előresiető, visszamaradó részecskék) v D x * = D + D tx + D dx (levezetése?) - Csak 2D és 1D egyenletekben létezik (argumentum: pl. (hv x c)) - Diszperziós tényező: a sebességtér függvénye - Víz és légkör (kanyarok, esés, stabilitás, inverzió stb.) - Minél nagyobb az átlagolandó felület, annál nagyobb az értéke - 2D eset: D x *, D y * >> D x - 1D eset: D x ** >> D x * - Lamináris áramlásban is létezik!

91 2D transzport egyenlet turbulens áramlásban (C H menti átlag): - D x *, D y * 2D egyenlet turbulens diszperziós tényezői (Taylor) - Mélység mentén vett átlag (H) 1D transzport egyenlet turbulens áramlásban ( A menti átlag): - D x ** 1D egyenlet turbulens diszperziós tényezője - Keresztszelvény területre vonatkoztatott átlag (A)

92 NAGYSÁGRENDEK cm 2 /s pórusvíz Molek. diff. Függ. ir. turbulens diff. Mély réteg Felszíni réteg Keresztir. diszperzió (2D) Hosszir. diszperzió (2D) Hosszir. diszperzió (1D) Vízsz. ir. turbulens diff. Tavak

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

94 Diszperziós tényezők becslése (empíriák) Keresztirányú diszperziós tényező (Fischer): D y * = d y u * R (m 2 /s) d y – dimenzió nélküli konstans, egyenes, szabályos csatorna d y  0.15, enyhén kanyargós meder d y  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: d x  6

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

96          )()( )( 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

97 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   

98 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

99 Parti bevezetés  M x y cs 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

100  M Partközeli bevezetés (általános alak) ) 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 y 0 = 0 → parti y 0 = B/2 → sodorvonali

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

102 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) +

103  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

104       )(cv xt c x )()( y c D yx c D x yx          NEM-PERMANENS EMISSZIÓ: SZENNYEZÉS HULLÁM Lökésszerű, havária-jellegű terhelések Időben erősen változó terhelések 2D-esetben

105 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

106 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

107 A tiszai cianid szennyezés levonulása

108 ) 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

109 ) ))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

110 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 "TRANSZPORTFOLYAMATOK II TRANSZPORTFOLYAMATOK II Dr. Clement Adrienne egy. docens Dr. Koncsos László egy. docens Kovács Ádám Sándor egy. tanársegéd Tombor."

Hasonló előadás


Google Hirdetések