Основные принципы переноса загрязнений в атмосфере

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 3

Рассеяние примеси в атмосфере определяется многими факторами, главными из которых являются: мощность источника выброса примеси; его высота; температура смеси, скорость ветра; состояние атмосферы, характеризуемое классом устойчивости.

Мощность источника примеси - это масса примеси, выходящей из источника в единицу времени.

Источники делят на высокие и низкие. К низким источникам относят выбросные трубы, вентиляционные шахты, дефлекторы и другие источники, выбросы которых производятся непосредственно в зоны аэродинамических теней зданий и сооружений. К высоким источникам относят трубы, выбрасывающие вентиляционный воздух и технологические газы в верхние слои атмосферы. Классификация источников на высокие и низкие производят по их эффективной высоте, которая складывается из геометрической высоты трубы h и высоты подъема факела Δ Н за счет собственной скорости струи и ее перегрева относительно окружающего воздуха:

H=h + Δ H

Чем выше температура выбрасываемых газов и скорость их выхода через устье трубы, тем больше эффективная высота источника.

По геометрическим характеристикам источники делят на точечные, линейные и площадные. К точечным источникам примеси можно отнести дымовые трубы. Примером линейного источника может служить оживленная транспортная магистраль, от которой распространяются выхлопные газы автомобилей. Промышленный район, в котором сосредоточено большое количество дымовых труб различных предприятий, в ряде случаев можно рассматривать как площадной источник.

Важнейшим фактором, определяющим рассеяние примеси, является степень устойчивости атмосферы. Примесь, выброшенная в атмосферу, переносится ветровым потоком и турбулентными вихрями. Интенсивность турбулентного переноса существенно зависит от температуры поверхности земли и распределения температуры воздуха в приземном слое атмосферы.

В случае если вблизи земли температура воздуха выше, чем в более высоких областях приземного слоя, состояние атмосферы будет неустойчивым. И наоборот, устойчивому состоянию атмосферы соответствует более высокая температура на некоторой высоте над землей, чем у ее поверхности.

Влияние аэродинамических и теплофизических факторов на процессы тепломассообмена в атмосфере

Аэродинамика: 1)скорость ветра, 2)давление, 3)температурные локальные эффекты

Теплофизические факторы: 1)инверсия (изменение температуры с высотой, время суток, теплота Земли), 2)температуры выброса, высота над поверхностью Земли, 3)турбулизация потока: -механическая (шероховатость), -конвективные перемещения.

Сложное строение атмосферы, обуславливается различными физическими свойствами слоев (разл. плотности, темп-ры, влажность, и др.).

Конвекция – перенос отдельных масс воздуха приводящий к перемешиванию. Конвекция имеет турбулентный характер. Для атмосферы характерна свободная конвекция. Это объясняется имеющимися изменениями температурного горизонта. У поверхности Земли тем-ра воздуха и скорость ее изменения оказывают существенное влияние на картину конвекции. Перенос загрязнений в атм. в основном обусловлен двумя составляющими атмосферного давления: 1) поле среднего ветра, за счет которого загрязнение переносится от одной точки к другой, 2) турбулентное движение, которое рассеивает примеси относительно некоторого центра

Чтобы разобраться в этих явлениях важно рассмотреть особенности атмосферного движения вблизи Земли, влияние трения атмосферы о поверхность Земли, эффект диффузионного потока тепла на поверхности и влияние поля ветра на турбулентность и перенос загрязнений. Большинство перечисленных явлений наблюдается в пограничном слое (планетарный слой), где движения в основном не подвержены влиянию приземного трения и охлаждения или нагревания.

В приземном пограничном слое ветровой поток подвержен влиянию шероховатостей подстилающей пов-ти и вертикального темпер-го градиента. Для переходного слоя ветровой поток подвержен влиянию поверх-го трения, градиента плотности и вращения Земли.

Тепловая конвекция рассматривается применительно к процессам загрязнения воз-ха, как вертикальный механизм переноса. Свободная конвекция имеет место, когда движение целиком или частично обуславливается собственной плавучестью, которая возникает при нагревании воздуха, расположенного непосредственно у поверхности Земли

Вынужденная конвекция – движение, вызываемое другими причинами, в этом случае плавучесть не влияет на движение и коэффициент теплопередачи; она возникает, когда Земля на много теплее воздуха, проходящего над ней. Именно в это время турбулентная структура атмосферы заметно отличается от обычной и рассеяние примесей в это время сильно увеличивается в вертикальном направлении

На траекторию ветра могут влиять некоторые локальные эффекты, н-р: долинный поток, который существенно повлияет на траекторию примесей. Примесь, попавшая в долину, будет накапливаться в ней. В условиях слабого градиента ветра неравномерный нагрев долины может вызвать ветры, дующие по долине: вниз ночью, вверх днем.

Еще одним типом локального ветрового потока может быть бризовый поток, который возникает из-за разницы температур между сушей и водной поверхностью. Примесь, перемещаясь внутри этой циркуляции, будет возвращаться и увеличивать загрязнение.

Третьим типом является городская застройка. Известно, что температура наружного воздуха в городах на несколько градусов выше, чем в окружающей местности, что способствует возникновению восходящего движения воздуха у поверхности земли внутри города. Это происходит при нормальных метеоусловиях, когда температура воздуха понижается с высотой. При наступлении инверсии воздух «запирается внизу», находящимся выше его слоем третьего воздуха. В этом случае распределение темп-ры по высоте имеет противоположное распределение. Инверсия – это состояние атмосферы, при котором температура воздуха в тропосфере не убывает с высотой. Обмен воздушными массами резко снижается и происходит накопление в инверсионном слое атмосферы города вредных примесей.

Основные положения теории турбулентности из классической гидродинамики

Общепринятые статистические и феноменологические подходы к механизму турбулентности, как правило, малоприменимы к процессам в свободной атмосфере, которые, в свою очередь, важны в описании, например, процессов рассеяния атмосферных примесей.

Основные понятия турбулентности

Впервые, при изучении движения жидкости по трубам, в результате опыта, проведенного Рейнольдсом, было дано определение турбулентного течения как неупорядоченного движения. Турбулентное движение наблюдается не только в трубах, но и в пограничных слоях.

Для объяснения сложнейшего вопроса о возникновении турбулентности в разное время выдвигалось много гипотез. В одной из них обсуждаются условия, при которых малые возмущения растут и вызывают превращение ламинарного течения в турбулентное. Такой подход к проблеме наиболее рационален, поскольку такое превращение весьма обычно в атмосферных процессах. Для природы естественны не критическая ситуация, в которой может или не может возникнуть турбулентность, а неустойчивые или устойчивые состояния, которые проявляются в течение нескольких минут или часов.

Некоторые сложные волновые движения могут иметь много признаков турбулентного течения, но не вызывать при этом рассеяния или диффузии какой бы то ни было субстанции, переносимой жидкостью.

Существует некоторое среднее движение с добавленными к нему пульсациями. Среднее движение описывается точно, а флюктуации – статистическими методами. Разделение потока на среднее и флюктуационное на основе различных критериев может проводиться достаточно субъективно. В результате турбулентность (флюктуационная часть процесса) уже выступает не как объективное свойство движения, а как объект, произвольно определяемый по нашему усмотрению. Таким образом, формулировка определения турбулентности для даннойситуации может стать отражением реальных особенностей течения.

Часто встречается определение турбулентности как сложного движения, вызывающего диффузию. Примером может служить перемешивание красителя в растворителе или рассеивание табачного дыма.

Турбулентность способствует диффузии частиц вещества в сплошной среде (применительно к атмосфере – аэрозолей типа дыма и паров воды), а также любой из его характеристик: цвета, химического состава и т.п.

Частицы жидкости обладают тепловой и кинетической энергией, энергией вращения и поступательного движения. Есть свойства, не присущие постоянно жидким веществам, некоторые из них диффундируют под действием градиента давления, или механизма молекулярного переноса.

Пульсации плотности могут передаваться в жидкости под действием звуковых волн, а пульсации концентрации только при движении самого вещества.

Скорость жидкости в точке может пульсировать либо из-за вихрей, играющих частицами вещества, либо из-за волн, идущих во всех направлениях и вызывающих колебания частицы относительно ее среднего положения. При прекращении возмущения, колебания прекращаются и частицы возвращаются в прежнее положение

Приложение теории турбулентности к атмосферным процессам

В стратифицированной жидкости турбулентное движение перемещает частицы жидкости с увеличением их потенциальной энергии. Рассмотрим воздушную среду, в которой теплый воздух, подвергающийся воздействию турбулентного перемешивания, находится сверху. Тогда распределение потенциальной температуры становится более однородным, так как верхние слои охлаждаются, а нижние нагреваются. Для всей массы среды потенциальная энергия в поле силы тяжести возрастает вследствие подъема ее центра тяжести. В то же время основное движение горизонтального течения с вертикальным градиентом скорости работает против турбулентных напряжений и его энергия будет расходоваться на усиление турбулентности. Ричардсон показал, что если количество энергии, расходуемое таким образом, меньше работы против силы тяжести, то турбулентность затухает. Если

вертикальный градиент скорости. В действительности турбулентность начинает затухать при еще меньшей степени стратификации, поскольку значительная часть энергии турбулентного режима перераспределяется в пользу меньших вихрей и затем рассеивается за счет вязкости. Число Ri является локальной характеристикой, которая может меняться от точки к точке.

Количество движения может передаваться поперек основного потока стационарными гравитационными волнами при условии, что поверхность, содержащая гребни, смещена относительно вертикали.

Поток количества движения направлен вверх от препятствия на подстилающей поверхности, которая, в свою очередь, испытывает в направлении течения действие силы, называемой волновым сопротивлением. Это условие излучения энергии, которое справедливо для бесконечной среды.

Применительно к атмосфере существуют две математические трудности. Первая: убывание плотности с высотой означает постепенное увеличение амплитуды волн, что делает задачу существенно нелинейной. Вторая: трудность возникает, когда скорость волн относительно воздуха оказывается равной нулю на некоторой высоте над земной поверхностью (это обычно означает, что на указанной высоте скорость ветра равна нулю относительно препятствия, порождающего волны). Кроме того, полагают, что волны отражаются или затухают на высоте свыше 150 км за счет вязкости, тем самым упрощая задачу, связанную с первой трудностью.

Уравнение Рейнольдса справедливо лишь в том случае, когда в атмосфере имеется набор разновидностей вихрей с размерами, соответствующими диапазону турбулентного спектра, который практически не содержит энергии; с другой стороны, без существования такого «провала» в спектре невозможно определение основного «осредненного» течения. Эта трудность может быть преодолена с помощью общего предположения о том, что, во-первых, независимо от сути турбулентного процесса его эффекты могут быть описаны в терминах К-теории и, во-вторых, что для описания этого процесса можно применять уравнение молекулярной диффузии, но с коэффициентом в 10³-10⁴ раз большим, чем коэффициент молекулярной диффузии. Однако проблема определения операции осреднения не может быть решена простым умолчанием о ней, а коэффициент турбулентного переноса К не имеет смысла без такого определения, так как неясно, как он изменяется в пространстве, в частности с высотой, и с какой скоростью изменяется в разных направлениях. Скорости переноса в атмосфере часто изменяются на несколько порядков за сравнительно небольшой промежуток времени (в несколько часов) и очень сильно различаются для разных диффундирующих субстанций. Разнообразие форм турбулентных процессов столь велико, а их эффекты столь различны, что не существует единой теории турбулентности.

⇐ Предыдущая 1 23