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: rzeźba terenu, lasy, zbiorniki wodne, budynki itp. a) 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 CO 2 ) 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 CO 2 EMISJA CO 2 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 x 1 /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 CO 2 (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 CO 2 w kierunku pionowym umoŝliwia układ trawersujący (DISA 55B01). Schemat układu pomiarowego pokazano na rys. 3.3. Do pomiaru koncentracji CO 2 wykorzystywany jest analizator Guardian Plus CO 2 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 CO 2, 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 x 1 = var; rys. 3.5) punktowego pomiaru koncentracji CO 2 emitowanego ze źródła skupionego dla stałej prędkości przepływu, uzyskane wyniki przedstawić w formie graficznej C CO2 = f(x 1 ), gdzie C CO2 jest stęŝeniem CO 2 w [%], dla ustalonej prędkości przepływu U 0, wykonać pomiar koncentracji CO 2 w płaszczyźnie pomiarowej w odległości x 1 /D = 2.5, w śladzie za cylindrem (rys. 3.2), dokonać porównania, w formie graficznej w układzie zredukowanym, rozkładu koncentracji CO 2 oraz znanego z pomiarów wcześniejszych, wykonanego w tej samej płaszczyźnie pomiarowej i w przepływie o tej samej prędkości U 0, pola średniej prędkości wzdłuŝnej U x1. Jako wartości odniesienia przyjąć: C CO2 max stęŝenie maksymalne CO 2 w przepływie niezakłóconym, U 0 prędkość w przepływie niezakłóconym.