Влияние поверхностного трения на профиль ветра

Лекция № 6. Перенос загрязнений в атмосфере

Ключевые слова и понятия

6.1. Перенос загрязнений ватмосфере

6.2. Планетарный пограничный слой

6.3. Профиль скорости ветра

6.4. Турбулентность атмосферного движения

6.5. Теория градиентного переноса (К-теория)

6.6. Статистическая теория

Входная информация

Приступая к изучению данной темы, Вам необходимо восстановить в памяти (или восполнить) знания из прошлых периодов обучения:

- из курса средней школы: значение понятий атом, молекула, химический элемент, простые и сложные вещества, органические соединения, углеводороды.

- из курса «Химия» для студентов технических специальностей: Загрязнение воздуха (2.1.) Скорость диффузии(3.5.).

Загрязнение воздуха (2.1.) -любое нежелательное изменение состава земной атмосферы в результате поступления в нее различных газов, водяного пара и твердых частиц под воздействием природных процессов или в результате деятельности человека.

Скорость диффузии(3.5.) – скорость продвижения молекул газообразных компонентов изнутри частицы к поверхности или из среды к поверхности частицы .

Структура темы

1. Планетарный пограничный слой

2. Влияние поверхностного трения на профиль ветра

3. Турбулентность атмосферного движения

4. Градиентный перенос (К-теории)

Перенос загрязнений в атмосфере (6.1.) обуславливается двумя составляющими атмосферного движения:

- полем среднего ветра, переносящего загрязнения от одной точки к другой;

- турбулентными движениями, которые рассеивают загрязнения относительно некоторого центра.

Перенос загрязнений в атмосфере (6.1.) обуславливается двумя составляющими атмосферного движения: - полем среднего ветра, переносящего загрязнения от одной точки к другой; - турбулентными движениями, которые рассеивают загрязнения относительно некоторого центра.

ЗАПОМНИТЕ!!! При этом необходимо рассматривать особенности атмосферных движений вблизи поверхности земли; влияние трения атмосферы о поверхность, эффект дифференциального потока тепла на поверхность и с поверхности, влияние поля ветра на турбулентность и перенос загрязнения.

Планетарный пограничный слой

Большая часть этих движений, важных для принятия инженерных решений, реализуется в планетарном пограничном слое.

Планетарный пограничный слой (6.2.) - это часть атмосферы, располагающаяся между поверхностью земли и свободной атмосферой, где движение воздуха в основном не подвержено влиянию приземного трения, а также охлаждению и нагреванию поверхности земли.

Планетарный пограничный слой (6.2.) - это часть атмосферы, располагающаяся между поверхностью земли и свободной атмосферой, где движение воздуха в основном не подвержено влиянию приземного трения, а также охлаждению и нагреванию поверхности земли.

ВНИМАНИЕ!!! Структура планетарного пограничного слоя следующая:

- на высоте первых 50-100 м расположен приземный пограничный слой, где ветровой поток подвержен влиянию шероховатости подстилающей поверхности и вертикальному температурному градиенту.

- далее на высоте до 500-1000 м планетарный пограничный слой переходит в слой, где ветровой поток подвержен влиянию поверхностного трения, градиента плотности и вращения Земли (собственно планетарный пограничный слой).

ЗАПОМНИТЕ!!! Выше планетарного пограничного слоя в свободной атмосфере ветер, вообще говоря, параллелен градиенту давления с учетом влияния вращения Земли. Однако при этом верхняя граница этого слоя может меняться.

Большинство моделей рассеивания в атмосфере не учитывают интенсивных движений (сильных конвективных потоков, гроз и т.п.). Здесь мы будем рассматривать только нормальные пограничные слои.

Влияние поверхностного трения на профиль ветра

Главное воздействие поверхностного трения - его влияние на профиль ветра (6.3.), то есть на изменение скорости и направления ветра с высотой над поверхностью земли.

Профиль скорости ветра (6.3.) - изменение скорости и направления ветра с высотой над поверхностью земли.

Если мы рассматриваем ламинарный поток газа между двумя пластинами, то напряжение сдвига на единицу площади будет пропорционально градиенту скорости. Это соотношение дополняется введением коэффициента пропорциональности, характеризующего вызванную газом динамическую вязкость. Тогда напряжение сдвига на единицу площади можно записать так:

τ = μ (du/dh), (7.1)

где: τ - напряжение сдвига на единицу площади;

μ - динамическая вязкость, не зависящая от u и h;

u - скорость газа;

h - расстояние от Земли до движущейся точки.

ЗАПОМНИТЕ!!! Профиль скорости ветра с учетом шероховатости поверхности, которая учитывается параметром Z_о, записывается в виде уравнения (80):

Ū(Z) / U^● = К^-1 ln {(Z + Z₀) / Z₀} (7.2)

где: К - постоянная Кармана,

U^● - скорость трения; U^● = √τ/ρ,

ρ - плотность воздуха,

Z - - высота над поверхностью Земли.

Для таких поверхностей, как асфальт, снег и даже короткая скошенная трава Z₀ = 1 см. Для травы высотой 60-70 сантиметров Z₀ =10 см. На больших площадях, где имеются кусты, деревья, живые изгороди Z₀ ~ 2м.

ЗАПОМНИТЕ!!! Другой способ представления профиля скорости ветра в виде функции от высоты, который применяется в моделях качества воздуха и связывает скорость приземного ветра со скоростью ветра на высоте трубы, может быть представлен формулой (7.3):

Ū(Z) = Ũ(r) (Z/r)^α (7.3)

где: α – величина определяется эмпирически;

Ũ(r) – скорость приземного ветра.

ВНИМАНИЕ!!! Отметим, что с высотой может меняться не только величина, но и направление скорости ветра Она описывается спиралью Экмана.

На поле среднего ветра влияет температура подстилающей поверхности и локальные (местные) ветровые потоки (например, долинные потоки; бриз, обусловленный разностью температур над сушей и над морем; влияние горного перевала и т.д.). В этом курсе мы их рассматривать не будем.