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 Tombor Katalin doktorandusz Kovács Ádám.

Hasonló előadás


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

1 TRANSZPORTFOLYAMATOK II TRANSZPORTFOLYAMATOK II Dr. Clement Adrienne egy. docens Dr. Koncsos László egy. docens Tombor Katalin doktorandusz Kovács Ádám Sándor doktorandusz BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék ftp://vkkt.bme.hu

2 Duna vízminőségének változása Szobnál ( )

3

4

5

6 Tiszaújváros: AES Tisza II Hőerőmű

7

8

9

10 FÜSTCSÓVA ELKEVEREDÉS

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

12 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):

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

14

15

16

17 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)

18 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):

19 DIFFÚZIÓS HULLÁM

20

21

22 © Koncsos L. ZALAVÍZ ELKEVEREDÉSE: 2 D TRANSZPORT

23 © Koncsos L. KESZTHELYI MEDENCE: RÉSZECSKE SZIMULÁCIÓ

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35 Tiszaújváros: vízkivétel és melegvíz visszavezetés

36 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”).

37 Tisza: hőmérséklet eloszlás a melegvíz csóvában

38

39 A szennyezés terjedése a talajvízben

40 Vízfolyás által drénezett terület meghatározása (Tilaj, 2004)

41 Az osztott paraméterű lefolyásmodell elvi felépítése

42 SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐ: felszíni lefolyás modellezése

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54 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)

55 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?

56 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)

57 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

58 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

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

60 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

61 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

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

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

64 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

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

66 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)

67 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

68 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

69 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

70 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  

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

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

73 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

74 DIFFÚZIÓS HULLÁM

75 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.

76 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

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

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

79 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

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

81 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!

82 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)

83 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

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

85 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

86 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:

87          )()( )( 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

88 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   

89 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

90 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

91  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

92 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 * )

93 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) +

94  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

95       )(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

96 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

97 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

98 A tiszai cianid szennyezés levonulása

99 ) 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

100 ) ))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

101 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 Tombor Katalin doktorandusz Kovács Ádám."

Hasonló előadás


Google Hirdetések