Регистрация / Вход
Прислать материал

Изучение влияния турбулентности атмосферы на скорость гравитационного оседания частиц выбросов промышленных предприятий

Сведения об участнике
ФИО
Бабичева Валентина Олеговна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Теоретическая физика
Тема
Изучение влияния турбулентности атмосферы на скорость гравитационного оседания частиц выбросов промышленных предприятий
Резюме
В процессе работы изучены математическая модель переноса примеси в атмосферном воздухе, методы определения скорости гравитационного оседания частиц в неподвижных средах или ламинарных потоках и вертикального коэффициента турбулентной диффузии, проведена аппроксимация измеренных концентраций химических элементов.
В результате получены аппроксимационные кривые, описывающие распределения концентраций большинства химических элементов в зависимости от расстояния от источников загрязнения – угольной ТЭЦ и алюминиевого завода, проведены оценки значений скорости гравитационного оседания и коэффициента турбулентной диффузии, сделан анализ полученных результатов.
Ключевые слова
Турбулентность атмосферы, скорость гравитационного оседания частиц сложной формы, выбросы промышленных предприятий, математическое моделирование переноса атмосферных загрязнений, метод мхов-индикаторов
Цели и задачи
Целью данной работы является изучение влияния турбулентности атмосферы на скорость гравитационного оседания частиц выбросов промышленных предприятий с помощью мхов-биоиндикаторов.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Обзор литературы по турбулентному переносу загрязняющей примеси в атмосфере, а также по методам определения скорости гравитационного оседания частиц.
2. Математическая обработка измеренных в пробах мха концентраций химических элементов методом наименьших квадратов в пакете Mathematica для двух точечных высотных источников загрязнения – угольной ТЭЦ и алюминиевого завода.
3. Расчет вертикальных коэффициентов турбулентной диффузии и скорости гравитационного оседания частиц.
4. Анализ полученных результатов.
Введение

Загрязняющие вещества от высотных источников переносятся на расстояния до 10…15 км и более. Содержание загрязняющих веществ в атмосферном воздухе на таких больших расстояниях сравнительно невелико. Поэтому традиционные инструментальные методы измерения концентраций химических элементов в атмосферном воздухе малопригодны, так как для получения достоверных результатов требуются очень большие времена экспозиции. Поэтому для измерения функций распределения выбросов предприятия использован метод мхов-индикаторов, время экспозиции для которого составляет от 2-3 до 10-15 лет.

В работе использованы два точечных высотных источника загрязнения – алюминиевый завод и угольная ТЭЦ. 

Методы и материалы

В работе для определения параметров переноса использованы метод мхов-индикаторов и высокочувствительные методы анализа проб растительности – нейтронно-активационный анализ и атомно-эмиссионная спектрометрия. 

Наиболее важные экологические особенности мхов как подходящего инструмента для биомониторинга: способны получать питательные вещества из влажного и сухого осажденного слоя; обладающие высокой аккумуляционной способностью и большой поверхностью; широко распространены; обычно растут группами; обладают продолжительным жизненным циклом (от 1 года до 15 лет); выживают в сильно загрязнённой окружающей среде. Содержание химических элементов, накопленных за время экспозиции во мхах, пропорционально их содержанию в атмосферном воздухе. Следовательно, зависимость концентраций химических элементов накопленных за время экспозиции во мхах и концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе от расстояния от источника имеет один и тот же аналитический вид. 

Определение содержания химических элементов в образцах мха проведено в научных подразделениях Томского политехнического университета: нейтронно-активационным методом (НАА) на исследовательском ядерном реакторе ИРТ-Т и методом атомно-эмиссионной спектрометрии (АЭС) на спектрометре iCAP6300 Duo научно-аналитического центра. 

Описание и обсуждение результатов

Результаты измерений показали, что содержание большинства химических элементов в пробах мха в несколько раз и более превышает фоновые концентрации. Анализ результатов измерения показал, что для рассмотренных источников загрязнения на расстояниях более 1 км концентрации большинства химических элементов с увеличением расстояния сначала возрастают, на расстояниях нескольких километров становятся максимальными и потом убывают. Кривая с максимумом характерна для распределения монодисперсной загрязняющей примеси в приземном слое атмосферы.

Значения вертикального коэффициента турбулентной диффузии kz на высоте 1 м, найденные в обоих случаях по распределениям десяти химических элементов и совпадающие по величине с kпр, для ТЭЦ находятся в интервале 0,08…0,33 м2/с; среднее значение для данной выборки составляет k1 = 0,16 м2/с. Для алюминиевого завода значения вертикального коэффициента турбулентной диффузии kz на высоте 1 м находятся в интервале 0,01…0,03 м2/с; среднее значение для данной выборки составляет k1 = 0,02 м2/с. Полученные значения по порядку величины согласуются с известными экспериментальными данными для среднегодовых значений этой величины, измеренной на высоте 1 м. 

Среднее значение вертикального коэффициента турбулентной диффузии для ТЭЦ в 8 раз больше, чем для алюминиевого завода, в то время как разбросы значений этой величины для ТЭЦ и КАЗ примерно одинаковы (56% и 40% соответственно) и совпадают с погрешностью определения параметра θ3. Отсюда можно сделать вывод о том, что разброс в значениях вертикального коэффициентов турбулентной диффузии обусловлен погрешностью определения данного параметра. Большая разница в средних значениях коэффициентов вертикальной диффузии ТЭЦ и АЗ свидетельствует о значительном влиянии климатических особенностей и рельефа территории на значение коэффициента турбулентной диффузии. 

Видно, что средние скорости гравитационного оседания частиц в турбулентной атмосфере почти на два порядка меньше скоростей седиментации частиц в неподвижном воздухе. На процесс гравитационного оседания оказывают влияние турбулентные потоки, а также характерные размеры и форма частиц. Влияние характерных размеров частиц не может быть значительным, так как минимальный размер турбулентных вихрей в приземном слое атмосферы составляет не менее нескольких сантиметров. Не может оказать значительного влияния на скорость гравитационного оседания и форма частиц выбросов. Очевидно, основное влияние на процесс гравитационного оседания частиц оказывает турбулентность атмосферы. Об этом свидетельствуют также значения отношений коэффициентов турбулентности для ТЭЦ и алюминиевого завода (в среднем в 8 раз) и отношений скорости гравитационного оседания к скорости седиментации для выбросов этих предприятий (в среднем в 2,5 раза).

Используемые источники
1. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 272 с.
2. Лайхтман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. – 342 c.
3. Бызова Н. Л. Рассеивание примесей в пограничном слое атмосферы – М. : Гидрометеоиздат, 1974. – 190 с
4. Перегуд Е.А., Горелик Д.О. Инструментальные методы контроля загрязнения атмосферы. – СПб.: Химия, 1981. – 384 с.
5. Г. М.-А. Алиев Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов: Справ. изд., М.: Металлургия, 1986, - 544 с.
6. Harmens H., David N. and participants of the moss survey. (2008): Spatial and Temporal Trends in Heavy Metal Accumulation in Europe (1990-2005). Bangor. Wales. Programme Coordination Centre for the ICP Vegetation. Centre for Ecology and Hydrology Centre for Ecology and Hydrology.
Information about the project
Surname Name
Babicheva Valentina
Project title
A new method of determining the speed of gravitational settling of particles of industrial emissions
Summary of the project
Turbulent diffusion of industrial emissions is one of the main transport mechanisms that determine the spatial distribution of pollutants in the atmospheric surface layer. Experimental study of the spread of contaminants requires a huge number of sensors that is a very time-consuming task. Known method of studying the basic laws of the spatial distribution of the contaminant is a mathematical modeling of particles transport in the air. The diffusion-convective model of impurity transport has been widely recognized. One of the main transfer parameters in this model is the gravitational sedimentation rate of dirts Vg.

The known methods for determination of this value are based on the sedimentation principle -speed and time of sedimentation of particles of different masses under the action of gravity forces or other inertial forces are not the same. In accordance with the measuring methods, the deposition of particles occurs either in a fixed dispersive medium or in the direction of moving at a high speed of stream of dust and gas that cannot properly take into account the aerodynamic properties of the particles moving in a turbulent atmosphere. In this paper, we propose to define Vg based on the measured along any direction from the source distribution function of pollutants in ambient air. Traditional methods of measuring tools of this function, especially at large distances from the source, are of little use, since to obtain reliable results a longer exposure time is required. Therefore, the research was carried out of using mosses for which the exposure time is 1-10 years. Obviously, the content of chemical elements accumulated during exposure in mosses, is in proportion to their content in the air, so the dependence of the element concentrations in mosses and concentrations of pollutants in the atmosphere has the same analytical form.

The purpose of this work is testing of a new method of determining the rate of gravitational settling of particulate emissions of the industrial enterprises (based on the measured along the chosen direction distribution functions contaminant for CHP-5 in Novosibirsk and Kandalaksha aluminum plant).
Keywords
The turbulence of the atmosphere, the rate of gravitational settling of particles of a complex shape, the emissions of the industrial enterprises, the mathematical modeling of the transport of air pollution, moss-indicator method