Transcript Pronos u akvatičnim sredinama (Podmorski ispusti) Podmorski ispusti Gjetvaj - Hidraulika 2012/13 Morski ispust Podmorski ispusti Gjetvaj - Hidraulika 2012/13 Podmorski ispusti Gjetvaj - Hidraulika 2012/13 Primjer splitskog kanalizacionog sustava sa.

Pronos u akvatičnim
sredinama
(Podmorski ispusti)
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
1
Morski ispust
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
2
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
3
Primjer splitskog kanalizacionog
sustava sa četiri podmorska ispusta
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
4
Fizikalni – hidraulički model zajedničkog rada
više podmorskih ispusta
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
5
Oblak efluenta
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
6
Usporedba postojećeg i
budućeg režima ispuštanja
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
7
Promjena temperature i slanosti po dubini
(ljetni period) u Splitskom akvatoriju
Osim intenziteta
mijenja se i smjer
brzine
Na modelu treba definirati polje koncentracija nizvodno od podmorskog ispusta koje ovisi o
- karakteristikama ispusta i karakteristike recipienta (mora)
- silama u pojedinim područjima uz ispust i nizvodno od njega
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
8
Sloj diskontinuiteta temperature, slanosti i gustoće
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
9
Primjer stratifikacije
Zone sa rjeđim recipientom
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
10
Zone širenja efluenta
Zona 1 - hidraulički mlaz. Razlika u brzini
formira turbulentno strujanje i intenzivno
mješanje.To je područje neposredno iza
sapnice koje se proteže do 10 D
Zona 2 - blisko polje koje se proteže od
cca 10 D do 300 D. Dominantne su
inercijalne sile u mlazu, uzgonske sile, brzine
morskih struja i moguća prirodna
stratificiranosti recipienta.
Zona 3 -daleko polje
Dominantnu ulogu u procesa miješanja ima
hrapavost i konfiguracija dna te eventualno
obalna linija. Pronos tvari je posljedica
morskih struja. Modeliranje ovog procesa
se provodi pod istim uvjetima koji vrijede
i za otvoreno korito.
Zona 4 -regionalno širenje zagađivala
Na pronos dominantno utječu difuzija i
disperzija zbog morskih struja.Ovo mješanje
je posljedica turbulencije i formiranja
sekundarnih vrtloga (relativno pasivno)
Film: Podmorski ispust Derlay
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
11
Oblak efluenta za mlaz pod utjecajem
uzgona u stratificiranom fluidu
različite brzine kretanja
Dominantne inercijalne sile - mlaz
Dominantne uzgonske sile – oblak
Utjecaj i uzgonskoih i inercijalnih sila - perjanica
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
12
Širenje efluenta u stacionarnoj
uniformnoj sredini
Za sve slučajeve u kojima se promatra širenje mlaza se mogu usvojiti slijedeće
pretpostavke:
1)
Tok je nestišljiv i turbulentan
2)
Promjene gustoće fluida duž toka su zanemarivo male u odnosu na
referentnu gustoću. To znači da iako su razlike u gustoći značajne za analizu
uzgona, njihova promjena može biti zanemarena u razmatranju inercijalnih
sila. Referentna gustoća je gustoća mora na razini ispusta. U ovom
poglavlju će se usvojiti da je gustoća mora konstantna.
3)
Pretpostavit će se da je gustoća vode u lineranoj vezi sa temperaturom ili
salinitetom. Ta pretpostavka je odgovarajuća u slučajevima uobičajenih
raspona saliniteta ili temperature. Ova pretpostavka ne vrijedi u slučaju da
se temperatura vode približi vrijednosti od 40C pri kojoj je gustoća
najveća.
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
13
Osnosimetričan mlaz
U slučaju da postoji mlaz (u kojem nema uzgona već samo
količina gibanja), na udaljenosti z od otvora će brzina u osi mlaza
biti definirana jednadžbom:
U
 K ju
U0

 
4
0.5
dp
z
pri čemu je :
U0
brzina na otvoru (izlazu)
U
brzina na udaljenosti z od otvora
Kju
dp
konstanta definirana eksperimentalno
promjer otvora kroz koji se odvija istjecanje
Film: Mlaz1
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
14
Radijus mlaza (b) je definiran jednadžbom
b
 K jb
z
a koncentracija u osi mlaza
C
4
 K jc  
C0

0.5
dp
z
pri čemu je:
z
dp
udaljenost promatranog profila od sapnice
promjer otvora kroz koji se odvija istjecanje
C
C
koncentracija trasera u osi mlaza
C0
Kju
Kjb
Kjc
koncentracija trasera na mjestu istjecanja (otvor)
konstanta definirana eksperimentalno (Papanicolaou 1984) (Kju = 7.57)
konstanta definirana eksperimentalno (Papanicolaou 1984) (Kjb = 0.11)
konstanta definirana eksperimentalno (Papanicolaou 1984) (Kjc = 6.06)
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
15
Formiranje mlaza
Promatrajući mlaz koji izlazi iz sapnice mogu se naglasiti
slijedeća zapažanja:
1) postoji početna zona u kojoj se profil brzina mijenja
od profila koji je karakterističan za strujanje u cijevi do
profila brzina koji je karakterističan za mlaz.
Ova zona se naziva zona uspostave toka i proteže se
u duljini od sedam promjera sapnice.
2) tok je u potpunosti turbulentan što znači da ne ovisi o
vrijednosti Reynoldsovog broja, a brzina, koncentracija
i gustoća se mogu prikazati kao zbroj srednje vrijednosti
i odstupanja od nje.
3) u području izvan zone uspostave toka se uočava da je
dominantno tečenje u smjeru vektora brzine a izrazito
slabo u smjeru okomitom na njega. To ima za posljedicu
da su promjene koncentracije i gustoće (topline) u smjeru
toka za red veličine manje nego promjene okomito
na smjer toka.
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
16
Bezdimenzionalni prikaz profila brzina
okomito na smjer toka
r2
 2
u
e b
U
pri čemu je
brzina u osi mlaza (srednja vrijednost)
U
r
udaljenost od osi mlaza
b
radius na kojem je srednja vrijednost brzine U /e
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
17
Bezdimenzionalni prikaz profila koncentracija
okomito na smjer toka
r2
 2 2
c
e b
C
pri čemu je:
C
λ
srednja vrijednost koncentracije (vremenski osrednjena)
mjera razlike u širenju brzine i koncentracije
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
18
Bezdimenzionalni prikaz intenziteta
turbulencije
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
19
Osnosimetrični oblak
U , ' , b   ( q0 ,, z)
pri čemu je sa υ označen koeficijent kinematske viskoznosti fluida.
Sa udaljavanjem oblaka od izvora, tok će biti u potpunosti turbulentan i neovisan o
viskoznosti υ te se nakon dimenzionalne analize dobiva:
 q 0.033 
U  K pu  0.33 
z 
ili zapisano na uobičajeni način:
U

 K pu  
U0
4
0.33
0.66
0
Fr
 z

d
 p




0.33
pri čemu je Fro Froudeov broj gustoće u točci formiranja oblaka (Uo/(Δodp)0.5) a Δo je
uzgonska sila na ispustu.
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
20
Odnos promjera oblaka (b) i udaljenosti oblaka od izvora (z)
b
 K pb
z
Prosječna vrijednost uzgonske sile se može izraziti kao
0.66 1.66

  K p qo z
ili kao odnos (prosječne) vrijednosti uzgonske sile prema početnoj uzgonskoj sili


 K p  
0
4
Podmorski ispusti
0.66
( Fro )
0.66
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
 z

d
 p




1.66
21
Hidrodinamička disperzija u moru
Disperzija trasera uslijed turbulencije se može zapisati u obliku:
c
qc   
x
pri čemu je:
qc
ε
maseni protok promatrane tvari
koeficijent turbulentne difuzije
c
c
c   c    c 
 u  v        
t
x
y x  x  y  y 
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
22
U uvjetima pronosa u kojem sudjeluje i turbulentna difuzija, ε je konstantna te
jednadžba poprima oblik:
  2c  2c 
c
c
c
 u  v    2  2 
t
x
y
y 
 x
U slučaju da se u fluid koji se kreće u smjeru osi x konstantnom brzinom u te da se u
takav tok trenutno upusti određena količina efluenta, jednadžba pronosa ima
rješenje u obliku:
Qc
c
e
4t
 x2
y 2 



 4t 4t 


pri čemu je Qc intenzitet izvora tvari po jedinici dubine
Niz mjerenja je pokazalo da je koeficijent turbulentne difuzije izmjeren na područjima
udaljenim od morskih obala proporcionalni sa l 4/3 tako da se njegova vrijednost za
otvoreno more može definirat:
 y   l 4/3
pri čemu je α = 0.0001  0.0005.
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
23
Promjena
horizontalne
difuzivnosti (ε) u
otvorenom moru u
ovisnosti o mjerilu
(veličini oblaka)
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
24
Modeliranje širenja oblaka
efluenta
Za modeliranje širenja efluenta ispuštenog kroz podmorski ispust je potrebno
prikupiti niz podataka koji se mogu grupirati u nekoliko skupina:
1) Geografske informacije.
2) Podaci o izmjeni plime i oseke
3) Podaci o morskim strujama
4) Podaci o koeficijentu disperzije (difuzivnosti).
5) Podaci o razgradnji pojedinih supstanci (podaci o odumiranju bakterija, ....)
6) Učestalost, intenzitet i smjer morskih struja i dominantnih vjetrova
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
25
Numerički model
(Navier-Stokesova jednadžba)
u uu uv uw
1 p 1   xx  xy  xz 
  0



 v 
 


t
x
y
z
 x   x
y
z 
Coriollisov parametar
v vu  vv vw
1 p 1   yx  yy  yz 
  0



 u 
 


t
x
y
z
 y   x
y
z 
p
 g  0
z
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
26
te vrijedi jednadžba kontinuiteta
u v w


0
x y z
pri čemu je:
x,y
z
u,v,w
t
Ω
p
ρ
τ
Kartezijeve koordinate u horizontalnoj ravnini
Kartezijeva koordinata u vertikalnom smjeru ( pozitivna u smjeru
prema gore)
komponente vektora brzine
vrijeme
Koriolisov parametar
tlak
gustoća vode
komponenta tenzora naprezanja
Osim ovih jednadžbi potrebno je poznavati i početne i rubne uvijete. To su brzine,
vjetar, temperatura,....
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
27
Jednadžba pronosa
c uc vc wc    c    c    c 



   x     y     z   kc  S s  0
t
x
y
z
x  x  y  y  z  z 
pri čemu je
c
koncentracija
k
koeficijent raspadanja za nekonzervativne supstance
Ss
izvor efluenta
Metode rješavanja
- metoda konačnih diferencija
- metoda konačnih elemenata
- metoda čestica
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
28
Film: venecija.mpg
Podmorski ispusti
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13
29