eos_04

Ćwiczenie nr 4
dla II roku studiów inŜynierskich
z przedmiotu
1.
Wprowadzenie
W dzisiejszym świecie szczególnej wagi nabrały problemy ochrony środowiska. Bardzo istotne
staje się więc rozpoznanie istniejących źródeł zanieczyszczeń, sposobu rozprzestrzeniania się
szkodliwych substancji, a takŜe takie sterowanie ich przepływem, Ŝeby były jak najmniej szkodliwe
dla człowieka. Jest to niezbędne przede wszystkim dla właściwego planowania zabudowy miejskiej.
Istotnym czynnikiem, mającym wpływ na proces rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w
atmosferze jest charakter i wielkość źródła emisji. Źródła emisji zanieczyszczeń występują w róŜnej
postaci i tak:
− ze względu na ich kształt geometryczny rozróŜnia się:
°
źródła punktowe,
°
źródła liniowe,
°
źródła powierzchniowe.
Klasycznym przykładem punktowego źródła emisji są najczęściej kominy zakładów
przemysłowych. Przykładem źródeł liniowych moŜe być szereg kominów ustawionych
poprzecznie do kierunku wiatru, ulice, kanały ściekowe itp. Źródła powierzchniowe to obszary
miast, obszary pustynne emitujące pyły, otwarte zbiorniki cieczy, wysypiska śmieci itp.
Źródło punktowe to oczywiście przypadek wyidealizowany. W rzeczywistości występują źródła
określone jako skupione, tzn. źródła, których wymiary powierzchni emisji są znacznie mniejsze
od odległości przebywanych przez zanieczyszczenia, czyli od zasięgu zanieczyszczeń. Zgodnie z
tą definicją większość źródeł emisji moŜna traktować jako źródła punktowe, chociaŜ typowym
przykładem pozostaje, wcześniej juŜ wspomniany, komin przemysłowy.
− ze względu na charakter emisji zanieczyszczeń:
°
źródła ciągłe,
°
źródła nieciągłe.
Większość źródeł emisji ma charakter ciągły, a do typowych źródeł o charakterze nieciągłym
naleŜy zaliczyć wszelkie wybuchy,
− ze względu na połoŜenie źródła emisji (rys.1.1):
°
źródła na poziomie terenu,
°
źródła na pewnej wysokości nad terenem.
Jednak decydujący wpływ na rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń w atmosferze mają czynniki
meteorologiczne i topograficzne. Do czynników meteorologicznych naleŜą:
−
turbulencja atmosfery,
−
pionowy gradient temperatury,
−
działalnie wiatru,
−
grubość strefy mieszania,
−
opady atmosferyczne.
Czynniki meteorologiczne są zmienne, zaleŜą bowiem w danym miejscu od warunków
klimatycznych, które zmieniają się wraz z porą roku i porą dnia.
Do czynników topograficznych naleŜą przeszkody terenowe, takie jak:
a)
−
rzeźba terenu,
−
lasy,
−
zbiorniki wodne,
−
budynki itp.
b)
Wpływ czynników meteorologicznych jest przewaŜający. Od nich zaleŜy stęŜenie zanieczyszczeń i
wartość opadu pyłu na danym obszarze. Obszar oddziaływania źródła emisji zanieczyszczeń moŜe
wynosić wiele dziesiątków, a nawet setek kilometrów, zaleŜnie od wielkości tego źródła i od rodzaju
czynników meteorologicznych.
Czynniki topograficzne działają w dwojaki sposób: bezpośredni i pośredni. Bezpośrednie
działanie występuje wtedy, gdy wzniesienie terenowe wywołuje zakłócenia kierunku i prędkości
wiatru, natomiast pośrednie działanie przejawia się tym, Ŝe to samo wzniesienie wskutek
nasłonecznienia zbocza moŜe stworzyć pionowy gradient temperatury, który wywiera z kolei wpływ
na działanie wiatru. Podany przykład bezpośredniego działania wzniesień ma na ogół charakter
lokalny, chyba Ŝe występują wzniesienia o duŜych wysokościach, natomiast pośrednie działanie
wzniesienia ma na ogół charakter globalny, gdyŜ przenosi się na większe obszary atmosfery.
Na przepływ wiatru oddziałują równieŜ pokrycia powierzchni ziemi i naturalne przeszkody
przepuszczalne, do których zalicza się pokrycia leśne, pasy zadrzewień, plantacje roślinne, sady itp. Z
jednej strony przepływy wiatru poprzez takie pokrycia mają istotne znaczenie z uwagi na zjawiska i
procesy agrobiologiczne, z drugiej strony dobór układu i geometrii pokrycia ma znaczenie dla potrzeb
sterowania przepływem wiatru w celach poprawy warunków ekologicznych – osłony obszarów zbyt
silnie przewietrzanych np. w celu odpowiedniego sterowania emisją.
Przykładem tutaj moŜe być wykorzystanie przeszkód terenowych w modyfikacji opływu strumienia
wiatru wokół składowiska odpadów komunalnych. Wysypisko odpadów komunalnych łatwo ulega
wpływom działania wiatru. Wiatr moŜe przyczynić się do rozprzestrzeniania w otoczeniu zarówno
fragmentów odpadów, jak teŜ gazów emitowanych ze składowiska w wyniku reakcji chemicznych
rozkładu. Dla obniŜenia tych efektów celowe jest takie formowanie strumienia wiatru, aby ograniczyć
moŜliwości unoszenia substancji stałych, natomiast doprowadzić do szybkiego rozproszenia gazów w
atmosferze obniŜając ich stęŜenie przy ziemi. Cel ten moŜna osiągnąć przez właściwe z punktu
widzenia przepływu skonstruowane obramowania niecki wysypiska poprzez ograniczenie wałami
ziemnymi oraz umiejscowienie przy nich i na nich odpowiedniej roślinności – drzew i krzewów.
O wiele bardziej złoŜony jest wpływ czynników topograficznych w obszarach zabudowanych. DuŜe
budowle (rys. 1.2), a w szczególności grupy budynków (rys. 1.1), tworzą przeszkody terenowe,
których opływ powoduje powstawanie wielu stref zawirowań.
W tych strefach znacznie pogarszają się warunki rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń. Cechą
charakterystyczną terenów miejskich jest zmienny kierunek wiatru, uwarunkowany zabudową,
kierunkami ulic i placów, co decyduje o rozkładzie stęŜeń zanieczyszczeń oraz o wtórnym porywaniu
do atmosfery osadzonego juŜ pyłu. Jedynie przewietrzanie obszarów zabudowanych przy
odpowiedniej konfiguracji znajdujących się tam budynków zapewnić moŜe wysoką jakość powietrza,
a tym samym poprawę warunków Ŝycia.
Badania nad problemem rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń prowadzone są od wielu lat,
przede wszystkim w tunelach aerodynamicznych róŜnych ośrodków naukowych. Pomiary w
warunkach rzeczywistych realizowane są rzadko, głównie ze względu na koszty.
Jako znacznik gazowy – symulujący zanieczyszczenia – stosowane są róŜne gazy, m.in.
dwutlenek węgla. Do jego pomiaru wykorzystywane są najczęściej analizatory bazujące na absorpcji
gazu (w tym wypadku CO2) w podczerwieni.
2.
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest określenie wpływu pola prędkości w otoczeniu obiektu na zachodzące tam
procesy dyspersji zanieczyszczeń.
3.
Opis stanowiska
Do przeprowadzenia niniejszego ćwiczenia laboratoryjnego wykorzystany zostanie tunel
aerodynamiczny, którego schemat przedstawiono na rys. 3.1. Główny element tunelu stanowi komora
pomiarowa o przekroju poprzecznym 0.4m x 0.4m i długości 4m.
ANALIZATOR CO2
EMISJA CO2
4m
WENTYLATORY
OSIOWE
PRZESŁONY
DŁAWIĄCE
OPŁYWANY
MODEL
PROSTOWNICA
ULOWA
FILTR
TKANINOWY
Przepływ powietrza w tunelu wymuszają dwa osiowe wentylatory o stałej prędkości obrotowej, a
regulacja prędkości powietrza dokonywana jest przy pomocy przesłon dławiących w zakresie 0-10
[m/s].
Rozpatrywany obiekt – cylinder o średnicy D=0,078m i długości L=0,4m umieszczono w środkowej
części sekcji pomiarowej w odległości ok. 2m od jej wlotu.
Źródło gazu znacznikowego, którym jest dwutlenek węgla, stanowi wygięta rurka mosięŜna o
średnicy wewnętrznej d=3 mm, umieszczona nieruchomo w odległości x1/D = 0.625 przed cylindrem
(rys. 3.2).
Wydatek objętościowy dwutlenku węgla utrzymywany będzie na stałym poziomie równym Q=5 l/min
co odpowiada wartości prędkości wypływu gazu ze źródła równej 11.8 m/s. Sondę pomiarową
współpracującą z analizatorem CO2 (posiadającym wewnętrzną pompkę do pobierania analizowanego
gazu) stanowi rurka o średnicy wewnętrznej d=2.6 mm połączona z wejściem analizatora za pomocą
giętkiego przewodu. Przesuw sonda CO2 w kierunku pionowym umoŜliwia układ trawersujący (DISA
55B01). Schemat układu pomiarowego pokazano na rys. 3.3.
Do pomiaru koncentracji CO2 wykorzystywany jest analizator Guardian Plus CO2 przeznaczony
do punktowego pomiaru stęŜenia dwutlenku węgla, oraz do ciągłego monitorowania i kontroli jego
poziomu.
Poza wyświetlaczem umoŜliwiającym bezpośredni odczyt koncentracji gazu przyrząd posiada wyjście
analogowe pozwalające na podłączenie go do zewnętrznego miernika lub urządzenia do akwizycji
danych. Stała czasowa wynosi ok. 30s. Ogólny wygląd analizatora przedstawiony jest na rys. 3.4.
Podstawowym elementem analizatora jest czujnik NDIR (non-dispersive infrared gas sensor). Widma
podczerwieni wielu gazów, w tym CO2, charakteryzują się wąskimi, indywidualnymi pasmami
absorpcji. Tak więc pomiar absorpcji w obrębie zdefiniowanego pasma długości fal pozwala na
jednoznaczną identyfikację obecności i stęŜenia poszczególnych gazów. Czujnik NDIR zawiera
optyczny filtr podczerwieni o wąskim paśmie przenoszenia nakładany na interesujące pasmo
absorpcji. PołoŜenie filtra określa rodzaj mierzonego gazu, natomiast ilość absorpcji określa jego
bieŜącą koncentrację. Filtr podczerwieni gwarantuje, Ŝe czujnik reaguje tylko na określony gaz i jego
czułość nie zaleŜy od obecności innych gazów.
2
4.
Przebieg ćwiczenia
− dokonać (dla x1 = var; rys. 3.5) punktowego pomiaru koncentracji CO2 emitowanego ze źródła
skupionego dla stałej prędkości przepływu,
− uzyskane wyniki przedstawić w formie graficznej CCO2 = f(x1), gdzie CCO2 jest stęŜeniem CO2
w [%],
− dla ustalonej prędkości przepływu U0, wykonać pomiar koncentracji CO2 w płaszczyźnie
pomiarowej w odległości x1/D = 2.5, w śladzie za cylindrem (rys. 3.2),
− dokonać porównania, w formie graficznej w układzie zredukowanym, rozkładu koncentracji
CO2 oraz znanego z pomiarów wcześniejszych, wykonanego w tej samej płaszczyźnie
pomiarowej i w przepływie o tej samej prędkości U0, pola średniej prędkości wzdłuŜnej Ux1.
Jako wartości odniesienia przyjąć:
CCO2 max – stęŜenie maksymalne CO2 w przepływie niezakłóconym,
U0 – prędkość w przepływie niezakłóconym.