Transzport folamatok felszíni izekben
TRANSZPORT FOLYAMATOK Szennezőanag sorsa a felszíni izekben Szűk értelmezés: csak a fizikai folamatok íz szerepe Tág értelmezés: kémiai, biokémiai, fizikai folamatok is szerepelnek Alkalmazási területek felszíni izeknél: Vízminőségi áltozások számítása a kibocsátások hatására koncentráció áltozása, határérték megfelelés Keeredés térbeli léptéke partok elérése, teljes elkeeredés, szennízbeezetések helének terezése Monitoring terezés mintaételi helek kijelölése, keeredési zónák meghatározása Haária esemének modellezése szennezőanaghullám leonulásfolón - earl warning - előrejelzés
Az Inn, a una és az Ilz összefolása Passau-nál Forrás: Hidraulika II., BME Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék
Szennezőanag csóa a Rajnán Forrás: Hidraulika II., BME Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék
una ízminőségének áltozása Szobnál 001-003 KOI mg/l 10 9 8 7 6 5 4 3 1 0 Balpart Jobbpart Sodoronal 001. jan. 001. jún. 001. no. 00. ápr. 00. szept. 003. jan. 003. jún. 003. no.
Keeredési zóna kijelölése Jogszabáli előírás: 008/105/EC 10/010 VIII.18 VM rend. A keeredési zónában az EQS túllépés megengedett!
Keeredési zóna kijelölése Meghatározás: Áramlási iszonok befolásolják L = F B,, CIS útmutató: több lépéses izsgálat: - jelentős-e a terhelés? - egszerűsített számítás elkeeredés utáni koncentráció nöekmén az EQS %-ában - modell, 3 M [kg/s] c ma c ma Gakorlat: L = 10 B m, ag L =1 km B<100m, feltételeze, hog L < a íztest teljes hosszának 10%-a X 1
ANYAGMÉRLEG KI 1 ellenőrző felület BE V BE KI MEGVÁLTOZÁS FORRÁSOK ΔM Δt anagáram tározott tömeg
Anagmérleg foló, 1 dimenzió C, t koncentráció a keresztmetszet mentén állandó teljes elkeeredés Be: Ki: Megáltozás: Általános alakban : A c A c c d V C t F/N Speciális estek: ha Ct, t, Qt = áll. permanens állapot dc/dt = 0 ha F/N = 0 konzeratí anag oldott állapotban léő, reakcióba nem lépő szennező alós szennezők: leggakrabban nem konzeratíak, megjelenik a forrás és/ag nelőtag reakciók
ÁLTALÁNOS TRANSZPORTEGYENLET Alkalmazási feltételek: A szennezőanagbeezetés az alapáramláshoz iszoníta nem idéz elő számotteő sebességkülönbséget, A szennezőanag és a befogadó sűrűségkülönbsége kicsi, Konzeratí anag IFFÚZIÓ KONVEKCIÓ adekció
IFFÚZIÓ: FICK TÖRVÉNY c 1 c - c 1 c szeparált tartálok - csapot kinitjuk - kiegenlítődés Brown-mozgás - hőmérsékletfüggés FLUXUS fajlagos anagáram egségni merőleges felületen át, időegség alatt ~ c c Δ 1 F - molekuláris diffúzió ténezője [m /s] dc g F d m s
ANYAGMÉRLEG BE: kon +diff dz KI: kon + diff d d irán BE KI MEGVÁLTOZÁS: Konekció: c d dz iffúzió: c d dz c d dz c d ddz c ddz c dddz d d dz c t
ANYAGMÉRLEG BE: kon +diff dz KI: kon + diff d d irán cddz c c d ddz c ddz c c d ddz dddz c t V
Anagmérleg-egenlet konekció-diffúzió 1, irán c t c c 0 Konekció iffúzió Konekció: átheleződés iffúzió: szétterülés Ha = const. iránban c t c c 0 konekció - diffúzió 1 egenlete A többi irán esete teljesen hasonló
Három dimenzióban 3:,, z iránok c c t Konekció: iffúzió: c zc z c c c z az áramlási sebességtől függően az eltérő koncentráció értékkel jellemzett részecskék egmáshoz iszoníta különböző mértékben mozdulnak el. a szomszédos ízrészecskék egmással aló lassú elkeeredése, koncentráció kiegenlítődéshez ezet. a molekuláris diffúziós ténező anagjellemző, izotróp, ízre 10-4 cm /s Kiterjesztése: turbulens diffúzió és diszperzió azonos alakú egenlettel, csak értelmezése lesz más, időben és térben integrálunk 0
TURBULENS IFFÚZIÓ ' c ' c t t, t, tz >> turbulens diffúzió felhő molekuláris diffúzió
0 z c z c c z c c c t c z z 3 transzport egenlet turbulens áramlásban: = + t, = + t, z = + tz Konekció: átlagsebesség T és a pulzációk hatása, utóbbi a diffúziós tagban jelenik meg! Turbulens diffúzió - Sebesség életlenszerű ingadozásai pulzációk - Matematikailag diffúziós folamatként kezelendő - Hel- és iránfüggő nem homogén, anizotróp - Turbulenciakutatás és empirikus összefüggések
ISZPERZIÓ A térbeli egnlőtlenségekből adódó konektí transzport az átlaghoz képest előresiető, isszamaradó részecskék * = + t + d - Csak és 1 egenletekben létezik argumentum: pl. hc - iszperziós ténező: a sebességtér függéne - Víz és légkör kanarok, esés, stabilitás, inerzió stb. - Minél nagobb az átlagolandó felület, annál nagobb az értéke - eset: *, * >> - 1 eset: ** >> * - Lamináris áramlásban is létezik! ~ ~
0 * * C H C H C H C H t HC transzport egenlet turbulens áramlásban koncentr. H menti átlag: - *, * egenlet turbulens diszperziós ténezői Talor - Mélség mentén ett átlag H 0 * * C A C A dt AC 1 transzport egenlet turbulens áramlásban A menti átlag: - ** 1 egenlet turbulens diszperziós ténezője - Keresztszelén területre onatkoztatott átlag A
NAGYSÁGRENEK Hosszir. diszperzió 1 Hosszir. diszperzió Keresztir. diszperzió Vízsz. ir. turbulens diff. Molek. diff. pórusíz Taak Függ. ir. turbulens diff. Mél réteg Felszíni réteg 10-8 10-6 10-4 10-1 10 10 4 10 6 10 8 cm /s
iszperziós ténező meghatározása: nomjelzős mérések Mérés nomjelző anaggal pl. festék, lassan bomló izotóp Inerz számítási feladat a mért koncentráció-értékekből
iszperziós ténezők becslése empíriák Keresztiránú diszperziós ténező Fischer: * = d u * R m /s d dimenzió nélküli konstans, egenes, szabálos csatorna d 0.15, enhén kanargós meder d 0. 0.6 kanargós, tagolt meder d > 0.6 1- u* - fenékcsúsztató sebesség, u* = gri 0.5 R hidraulikai sugár terület/kerület; I esés - Hossziránú diszperziós ténező: d 6
TRANSZPORTEGYENLET ANALITIKUS MEGOLÁSAI Alkalmazás: Szennezőanagok permanens elkeeredése Szennezőanag-hullám leonulása Fő lépések: Medergeometria, sebesség, ízmélség mérés, számítás iszperziós ténezők, 1 Analitikus megoldások csak egszerűbb esetekben ezethetőek le közelítő számítások Pontosabb számítások mérések alapján, numerikus módszerekkel kalibrálás, igazolás
h c t PERMANENS ELKEVEREÉS Időben állandósult szennezőanag-emisszió Permanens kisízi ízhozam Állandó sebesség, ízmélség és diszperziós ténezők -egenlet, mélség menti áltozás elhanagolása sekél foló h c h c c c h h Konekció átheleződik c c iszperzió szétterül Kezdeti feltétel: M 0 0, 0 - emisszió Peremfeltétel: c/ = 0 a partnál
s Sodoronali beezetés Hossziránban: -½ függén szerint Keresztiránban: Gauss normál - eloszlás M [g/s] c ma c ma 4 ep h M c, P ep 1 s s m f P
Sodoronali beezetés M C 1, B cs L1 1 B B cs : 0.1 c ma -nál cs 4. 3 B cs. 15 csóaszélesség s B B cs L 1 0. 07 B első elkeeredési táolság part elérése
Parti beezetés M C 1, C, h M P 1 ep 4 c ma Part elérése: B cs. 15 L 1 0. 11 B
Partközeli beezetés általános alak M 0 C 1, 1 c h M P ep - - 0 4 +ep - + 0 4 c ma 0 = 0 parti 0 = B/ sodoronali
Partélek figelembeétele teljes folószakasz M 1 ** Peremfeltétel: tükrözési el alkalmazása C M 1 B M1 B B B C tükr = C M 1 + C M 1* M 1 * C M 1*
Partélek figelembeétele teljes folószakasz Matematikai leírás: égtelen sor megjelenése A parttól 0 táolságra léő beezetés esetén: c h M P n= n= ep - - 0 +nb 4 + + ep - + 0 -nb 4 Teljes elkeeredés: a koncentráció keresztszelén menti áltozása 10 %-nál kisebb L ~ 3L 1 második elkeeredési táolság
Több szennezőforrás esete C 1 M 1 C = C 1 + C M C Több beezetési pont ag diffúzor sor: szuperpozíció ele Elkülönített számítás minden eges beezetési pontra majd összegzés
Lökésszerű terhelés szennezés hullám 1-esetben kesken és sekél folók C t C C C G ep A P t 4 t t G 0, 0 szennező tömege
Lökésszerű terhelés C C t 1, C t, L c1 L c 1 = t 1 = t C ma G Eg rögzített pillanatban / A t P L 4. 3 c s s t
CIANI mg/l 6 IFFÚZIÓS HULLÁM 5 4 3 1 0 febr.03 febr.04 febr.05 febr.06 febr.07 febr.08 febr.09 febr.10 febr.11 febr.1 febr.13 Balsa számított Balsa mért Kisköre számított Kisköre mért Csongrád számított Csongrád mért Tápé számított Tápé mért
Lökésszerű terhelés G [g] 1 =t 1 B c L c C t,, 0 C t,, =t c 4 P ht c ma G ep 4 t t 4 t s t s t L 4. 3 c s B 4. 3 c s
1 4 1 ep 1 1 / 1 t i t t i t t i t A t M C n i i P Időben áltozó kibocsátás ] / [ s kg M i t t i=1 i=n iszkretizálás elemi egségekre közel konstans terheléssel majd szuperpozíció egmást köető lökésszerű terhelések G i ~ M i Δt t - i-1 Δt 0
TRANSZPORTEGYENLET NEM-KONZERVATÍV ANYAGOKRA Források és nelők annak az áramlási térben Kémiai, biokémiai, fizikai átalakulások történnek Nem konzeratí szennező: reakciókinetikai tag RC Figelembe étele lineáris közelítéssel történik: dc/dt = ± C, ahol a reakciókinetikai ténező rendszerint elsőrendű kinetika 1 egenlet ebben az esetben: A c A c ** A t c α c Több szennező egmásra hatása: C 1,C,.. C n számú egenlet!