Профили скорости ветра
Движение воздуха: вблизи земной поверхности тормозится за счет сил трения, пропорциональных шероховатости подстилающей поверхности. Таким образом, природа местности, размещение и густота деревьев, расположение и размеры озер, рек, холмов и зданий приводят к различным градиентам скорости ветра в вертикальном направлении Слой атмосферы (называемый планетарным пограничным слоем) в котором ощущается влияние сил трения, простирается от т скольких сотен метров до нескольких километров над земной поверхностью. Мощность этого слоя больше для неустойчивых условий, чем для устойчивых. Таким образом, загрязнители рассеиваются в вертикальном направлении в большей степени при неустойчивых атмосферных условиях, а это ведет в свою очередь к уменьшенной концентрации загрязнителя на всем пути движения воздушной массы от источника в направлении ветра. Однако турбулентные флюктуации неустойчивой атмосферы могут привести к неожиданной концентрации загрязнителей до уровней, которых можно было обкидать при устойчивой атмосфере.
Типичные профили скорости ветра в дневное и ночное время показаны на рис. 3.12. Поскольку ночью атмосферные условия более устойчивы, профиль ночью обычно более пологий, чем днем. Отметим, что в этом случае (рис. 3.12) уровни меняющихся скоростей ветра ограничены высотой 600 м. Выше влияние сил трения незначительно, и скорость ветра становится почти равной скорости градиентного ветра, который мы рассматривали раньше. В общем виде влияние шероховатости местности на профиль скорости ветра показано на рис. 3.13. В этом частном примере толщина пограничного слоя меняется приблизительно от 500 до 280 м в зависимости от степени шероховатости. С уменьшением шероховатости профиль также становится более пологим вблизи поверхности земли.
Часто необходимо знать скорость ветра на некоторой высоте, отличной от стандартной. Было затрачено много усилий, чтобы получить удовлетворительное аналитическое выражение для измерения скорости с высотой. Однако ввиду сложности явления полностью удовлетворительного выражения не получено и по сей день. Для первых нескольких сотен метров пограничного слоя можно использовать показательный закон Дикона. Он имеет вид
где и—скорость ветра на высоте z, и1 - скорость ветра на высоте z1 и p - показатель экспоненты, изменяющийся от нуля до единицы.
Когда градиент температуры окружающего воздуха близок к градиенту в адиабатических условиях, а шероховатость местности незначительна, для р может быть использовано значение, примерно районе 1/7 .
Таблица 3.1
Соотношение между параметром устойчивости п
в уравнении (3.14) и условиями устойчивости атмосферы
| Условия устойчивости | п |
| Большой градиент температуры Нулевой или малый градиент температуры. Умеренная инверсия Значительная инверсия | 0,20 0,25 0,33 0,50 |
Таблица 3.2
Соотношение между разностью температур и параметром р для слоев воздуха в диапазоне от 5 до 400 фут, где ΔТ=Т400 –Т5.
| ΔT, F | p | ΔT, F | p |
| От –4 до –2 От –2,5 до –1,5 От –2 до 0 От –1 до 1 От 0 до 2 | 0,145 0,17 0,25 0,29 0,32 | От 2 до 4 От 4 до 6 От 6 до 8 От 8 до 10 От 10 до 12 | 0,44 0,53 0,63 0,72 0,77 |
.
Общие характеристики струй дыма из труб
Как отмечалось в предыдущем разделе, рассеяние загрязнителей в атмосфере определяется двумя основными факторами: скоростью среднего ветра и атмосферной турбулентностью. Результат действия первого из них сводится к простому переносу загрязнителей в направлении ветра от источника; под действием турбулентности загрязнители смещаются за счет флюктуаций от главной линии тока в вертикальном и поперечном к ветру направлениях. Два типа турбулентности—механическая и конвективная—обычно действуют одновременно при любых атмосферных условиях, но в различных соотношениях. По этой причине газовые струи, вытекающие из труб, имеют различную форму.
Рис. 3.17. Типичные профиль скорости ветра, температурный профиль и форма струи в плоскости xz для различных атмосферных условий
(- - - сухоадиабатический — вертикальный градиент температуры;— градиент температуры в окружающем воздухе). а—волнообразная струя, сильная неустойчивость: б—конусообразная струя, устойчивость близка к безразличной; в—веерообразная струя, поверхностная инверсия; г—задымляющая струя, приподнятая инверсия; д—приподнятая струя, инверсия ниже горловины трубы: е—ограниченная струя, инверсия ниже и выше горловины трубы.
Классификация струй представлена на рис. 3.17. Кроме различных вариантов геометрической формы струй в плоскости xz на рисунке показаны также приблизительные профили скорости ветра и температуры. Можно проследить постепенный переход от одного типа струи к другому. Волнообразная струя, показанная на рис. 3.17а, имеет место в условиях сильно развитой конвективной турбулентности. Как видно из рисунка, волнообразная струя есть следствие сверхадиабатического вертикального градиента температуры, который приводит к значительной неустойчивости. Волнообразная струя обычно характерна для ясных дней, когда происходит нагревание земной поверхности солнечными лучами, и при слабых ветрах.
Конусообразная струя (рис. 3.17,6) имеет место практически при безразличной устойчивости атмосферы, конусообразные струи образуются, когда небо покрыто облаками днем или ночью. Типичны ветры умеренной силы. Облачный покров препятствует притоку солнечной радиации днем и оттоку ее от поверхности земли ночью.
Веерообразная струя образуется в условиях большого отрицательного градиента температуры, когда на значительной высоты над трубой располагается сильная поверхностная инверсия. Атмосфера чрезвычайно устойчива, и механическая турбулентность выражена слабо.
Задымляющие струи образуются, когда устойчивый слой воздуха располагается на небольшом расстоянии над точкой выброса, а неустойчивый слой лежит ниже струи. Температурный профиль, способствующий образованию задымления, обычно формируется рано утром после ночи, для которой была характерна устойчивая инверсия. Утреннее солнце нагревает землю, что в свою очередь способствует развитию отрицательного температурного градиента в направлении от поверхности земли.
К счастью, условия задымления продолжаются не более чем полчаса. Однако в течение этого периода приземные концентрации могут достигать относительно высоких значений. Задымлению благоприятствуют ясное небо и слабый ветер; чаще всего такие условия характерны для летнего периода.
Условия для приподнятой струи, показанные па рис.3,17д, обратны условиям образования задымляющей струи. Слой инверсии располагается в этом случае ниже струи, которая размещена в неустойчивом слое, простирающемся выше инверсии. Условия, благоприятные для приподнятой струи существуют в послеполуденное время и ранним вечером при ясном небе. Когда инверсии размещены как выше, так и ниже верхней точки трубы образуются условия для ограниченной струи. Рассеяние загрязнителей в этом случае происходит только в слое между двумя устойчивыми областями атмосферы, как показано на рис.17е.
Дата добавления: 2015-08-11; просмотров: 4346;