دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
پایان نامه کارشناسی ارشد
موضوع:
ارزیابی عددی انتشار آلاینده های هوا در محیط چاه های استخراج نفت
استاد راهنما:
دکتر سید امیرالدین صدر نژاد
نگارش:
مژگان خوشه گیر
زمستان 1390
سپاس بیکران برهمدلی و همراهی
مادر و پدر بزرگوارم
که سجده ی ایثارشان گل محبت را در وجودم پروراند
و نکته های دلاویز و گفته های والایشان همواره راهنما و راه گشا ی زندگی ام بوده است
وبرادر و خواهران عزیزم
و تقدیم به همراه همیشگی ام
م. شادمان
تقدیر و تشکر
سپاس خداوند یکتا را که الطاف و کرامات بیکرانش فروکش نمی کند. راز و رمز پویای علم و کشف معانی بدیع و تجلی جلوه های شهودی معرفت کیمیایی است که آسمان علم به برکت سیما و سیره ی نورانی نبی مکرم صلی الله علیه و آله و سلم، انسان دربند خاک را به معراج حضور می خواند.چه خرم علمی که از چشمه ی معارف سیراب شود و چه زیبا دانشی که قبای پرنیانش به عطر و بوی گلستان محمدی معطر شود و چه معماری باشکوهی، بنایی که سنگ هویت و فرهنگ آن ریشه درمدینه النبی بیابد.
امروز کاخ آباد علم به سروش معنوی و مفهوم پیام او بیش از پیش محتاج راهنمایانی است که علاوه بر حفظ آبادانی آن در راه اعتلای آن به فرزندان خویش محبت نمایند. و من نیز از استاد گرانقدرجناب آقای دکتر سید امیرالدین صدر نژاد سپاسگزارم که راهنما و راه گشای اینجانب در اتمام و اکمال این پایان نامه بوده اند.
در پایان از تمام کسانیکه در رهگذر عمر یاری گر و دلگرمی من بودند و در راه کسب علم و معرفت برای من آنچه در توان داشتند انجام دادند، سپاسگزارم.
چکیده
تاثیر زیانبار آلودگی هوا بر انسان و محیط زیست بر هیچ کس پوشیده نیست. مشکلات سلامتی و اقتصادی ناشی از آلودگی هوا، توجه بسیاری از محققان را در دهه های اخیر به خود جلب کرده است. پیش بینی غلظت آلاینده های معیار با توجه به برهم کنش آنها با سه عامل شرایط جوی، توپوگرافی و تولید آلاینده نقشی موثر در ساز و کار تصمیم سازی برای مقابله با آلودگی هوا بازی می کند. صنعت بهره برداری نفت جزء صنایع مهم و درآمدزا می باشد. لذا همگام با پیشرفت این صنایع بحث آلودگی آنها نیز باید مورد توجه قرار گیرد. از مهمترین اثرهای مخرب زیست محیطی در بخش بهره برداری نفت می توان به گازهای خروجی از فلرها اشاره کرد. آگاهی از نحوه پخش و پراکنش آلاینده ها از فلرهای مناطق بهره برداری می تواند در تعیین ایستگاه های کنترل و کیفیت هوا منطقه، حفظ ایمنی کارکنان، انجام اصلاحات زیست محیطی در جهت بازیافت این گازها و سایر موارد مورد استفاده قرار گیرد. پخش آلاینده های CO ، 〖NO〗_x و 〖SO〗_2 مهمترین آلودگی ناشی از فلر های مناطق بهره برداری نفت محسوب می شود. از اینرو در این رساله چگونگی پخش این آلاینده ها از یک فلر ظرفیت پایین بدون عامل اختلاط با استفاد از الگوسازی دینامیک سیالات محاسباتی مورد بررسی قرار گرفته است. الگوسازی دوبعدی دینامیک سیالات محاسباتی برای پیش بینی چگونگی پخش این آلاینده ها از فلر از طریق حل عددی با روش حجم محدود انجام شده است. بدین منظور محدوده ای به ابعاد 286 × 2050 متر به عنوان دامنه محاسباتی در نظر گرفته شده است . این دامنه به 66000 حجم کنترلی چهار وجهی تقسیم و برای آشفتگی از الگو K-ε RNG استفاده شده است . در ابتدا مقادیر پیش بینی شده غلظت با مقادیر اندازه گیری شده مورد مقایسه قرار گرفته است و خطای کمتر از 10 درصد برای میزان غلظت هر سه آلاینده بیانگر تطابق خوبی برای محاسبه غلظت با استفاده از روش عددی بوده است. هم چنین نمودارهای پیش بینی غلظت آلاینده ها در سطوح مختلف مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گرفته و مقایسه ای میان این مقادیر بدست آمده با مقادیر استانداردهای مجاز انتشار و هوای پاک صورت گرفته است. میزان آلاینده CO هم از استاندارد مجاز انتشار و هم هوای پاک بیشتر بوده و میزان آلاینده های 〖NO〗_x و 〖SO〗_2 تنها از استاندارد مجاز اولیه هوای پاک بیشتر بوده است اما در هر سه مورد بررسی های لازم جهت اقدامات زیست محیطی لازم و ضروری می باشد. نتایج به دست آمده از این تحقیق نشان داد که دینامیک سیالات محاسباتی ابزاری بسیار مفید و توانمند برای الگوسازی پخش آلاینده ها در هوا می باشد .
کلمات کلیدی : الگوسازی ، آلودگی هوا ، دینامیک سیالات محاسباتی ، غلظت گازهای آلاینده و فلر .
فهرست مطالب
فهرست مطالب د
فهرست شکل ها و
فهرست جداول ک
فصل اول: کلیات 1
1-1) مقدمه 1
1-2) هدف و ضرورت انجام تحقیق 2
1-3) تاریخچه 4
1-3-1) تاریخچه مختصری از علم آلودگی هوا 4
1-3-2) مروری بر مطالعات پیشین 6
1-4) ساختار پایان نامه 9
فصل دوم: مروری بر مباحث نظری 14
2-1) آلودگی هوا 14
2-1-1) تعریف جزء هوا 14
2-1-2) ساختار طبیعی هوا 14
2-1-3) تعریف هوای آلوده 15
2-1-4) منابع آلاینده هوا 15
2-1-5) عناصر آلاینده 15
2-1-6) آلاینده های معیار: 16
2-1-6-1) منواکسید کربن () 17
2-1-6-2) اکسید های گوگرد 17
2-1-6-3) اکسیدهای نیتروژن (NOx) 18
2-1-7) استانداردهای مجاز هوا 19
2-1-7-1) استانداردهای مجاز کیفیت هوای محیط 20
2-1-7-2) استانداردهای مجاز انتشار 20
2-1-8) بررسی میزان تولید انتشار گازهای آلاینده در بخش انرژی هیدروکربوری کشور 21
2-2) شاخص های هواشناسی در آلودگی هوا 25
2-2-1) تعریف اتمسفر 25
2-2-2) شاخص های موثر بر آلودگی هوا 26
2-2-2-1) جریان هوا 26
2-2-2-2) باد 26
2-2-2-3) بارندگی 26
2-2-2-4) فشار هوا 26
2-2-2-5) درجه حرارت 27
2-2-2-6) پایداری اتمسفری 28
2-2-2-7) وارونگی دما 28
2-2-3) حرکات ستون دود 30
2-3) فلرهاو آلودگی هوا ناشی از آنها 33
2-3-1) معرفی فلر و نحوه عملکرد آن 33
2-3-2) مهمترین مشکلات در مدیریت فلرها 33
2-3-3) انواع فلرها 34
2-3-4) آلاینده های هوا در بخش بهره برداری نفت و گاز غرب ( مطالعه موردی ) 37
2-4) نتیجه گیری 40
فصل سوم :تعیین معادلات حاکم بر پخش گازهای آلاینده در جو 41
3-1) مقدمه 41
3-2) معادلات بقای جرم حاکم بر پدیده های جوی 41
3-3) معادله بقای اندازه حرکت حاکم بر پدیده های جوی 42
3-4) معادله بقای انرژی گرمایی حاکم بر پدیده های جوی 46
3-5) روند انتقال 49
3-6) جمله آشفتگی 52
3-7) روابط حاکم در قالب تحلیل عددی به روش حجم محدود 53
3-8) تحلیل مناسب معادلات 55
3-9) اعمال شرایط مرزی در قالب حجم محدود 56
3-10) توابع تعریف شده توسط کاربر 58
3-11) داده های هواشناسی ورودی الگو 59
3-11-1) تعیین پایداری جو 59
3-11-2) تعیین نیمرخ باد و دما 61
3-12) الگوریتم برنامه 66
3-13) نتیجه گیری 67
فصل چهارم: تحلیل و تفسیر نتایج 68
4-1) مقدمه 68
4-2) صحت سنجی الگو 68
محاسبه نیمرخ باد و دما 68
4-3) الگوسازی آلاینده های خروجی از فلر 72
4-3-1) مشخصات واحد مورد مطالعه 72
4-3-2) مشخصات فلر مورد مطالعه 72
4-3-3) داده های هواشناسی 74
4-3-3-1) محاسبه نیمرخ باد و دما 74
4-3-4) هندسه مسئله 78
4-3-5) شرایط مرزی 79
4-3-6) فرضیات حل مسئله از طریق نرم افزار 80
4-4) تشریح نتایج 80
4-4-1) تشریح خطوط تراز حاصل از انتشار آلاینده های خروجی فلر در فصل تابستان 80
4-4-2) تشریح نتایج حاصل از انتشار آلاینده های خروجی فلر در فصل زمستان 84
4-4-3) بررسی تغییرات غلظت آلاینده ها در دو فصل تابستان و زمستان 87
4-4-3-1) تشریح نحوه پخش آلاینده CO 88
4-4-3-2) تشریح نحوه پخش آلاینده NOx 92
4-4-3-3) تشریح نحوه پخش آلاینده SO2 96
4-4-3-4) تشریح تغییرات دما و چگالی 99
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات 100
5-1) مقدمه 100
5-2) جمع بندی و نتیجه گیری 100
5-3) پیشنهادات 102
6) فهرست منابع و مآخذ 103
7) پیوست 108
فهرست شکل ها
شکل 1-1 : سهم قسمت های مختلف جهان از گازهای سوزانده شده در فلر یا تخلیه شده به محیط]6[ 3
شکل 2-1 :سهم هریک از منابع تولید کننده منواکسیدکربن به درصد]مرجع USEPA [ 17
شکل 2-2 :سهم هریک از منابع تولید کننده اکسیدهای گوگرد به درصد] مرجع USEPA [ 18
شکل 2-3 :منابع اکسیدهای نیتروژن در آمریکا (منبع : USEPA, 2003 ) 19
شکل 2-4 : روند تغییر انتشار گازهای آلاینده و گلخانه ای از کل بخش های مصرف کننده انرژی هیدروکربوری کشور( به علت حجم اندک گاز SO3 در مقایسه با سایر گازها در نمودار نشان داده نشده است)]4[ 23
شکل 2-5 : روند تغییرات انتشار گازهای آلاینده و گلخانه ای از بخش صنعت ( به علت حجم اندک گاز SO3 در مقایسه با سایر گازها در نمودار نشان داده نشده است)]4[ 24
شکل 2-6 : شمایی از لایه های اصلی تشکیل دهنده اتمسفر 25
شکل 2-7 : حرکت حلقوی ستون دود 30
شکل 2-8 : حرکت قیفی ستون دود 31
شکل 2-9 : حرکت بادبزنی ستون دود 31
شکل 2-10 : حرکت دودی ستون دود 31
شکل 2-11 :حرکت بالارونده ستون دود 32
شکل 2-12 : اجزای تشکیل دهنده یک فلر مرتفع با عامل اختلاط کننده بخار 34
شکل 2-13 : فلر با عامل اختلاط کننده هوا 35
شکل 2-14 : فلر با عامل اختلاط کننده فشار 36
شکل 2-15 : فلر بدون عامل اختلاط 37
شکل 2-16 : میزان گاز سوزانده شده در فلر و سوخت تجهیزات احتراقی شرکت بهره برداری نفت و گازغرب 38
شکل 2-17 : میزان انتشار آلاینده های هوا از فلرهای شرکت بهره برداری نفت و گاز غرب 39
شکل 2-18 : میزان انتشار آلاینده هوا از فلر و تجهیزات احتراقی شرکت بهره برداری نفت و گاز غرب 39
شکل 3-1 : جریان در جهت از درون یک جزء حجمی ساکن 41
شکل 3-2 : یک جزء حجمی و تنشهای وارد بر آن و انتقال مولفه اندازه حرکت در جهت 43
شکل 3-3 : جزء حجمی برای تعیین معادله انرژی گرمایی 46
شکل 3-4 : تغییرات جرم در یک جزء حجمی سیال 50
شکل 3-5 : نمونه ی حجم کنترل و نمادگذاری مورد استفاده در حالت کارتزین دو بعدی 55
شکل 3-6الگوریتم حل برنامه سیمپل]30[ 57
شکل 3-20 : الگوریتم حل نرم افزار انتخاب شده جهت الگوسازی پخش آلاینده ها در فضای جو]30[ 66
شکل 4-1:نمودار بیانگر نیمرخ سرعت باد نسبت به ارتفاع برای 31/4/88 در ساعت 15 می باشد. 69
شکل 4-2 :نمودار بیانگر نیمرخ دما نسبت به ارتفاع برای 31/4/88 در ساعت 15می باشد. 70
شکل 4-3 : نمودار بیانگر میزان غلظت CO محاسبه شده توسط برنامه و اندازه گیری شده در فواصل 50 ، 100 و 200 متری از فلر می باشد. 70
شکل 4-4 : : نمودار بیانگر میزان غلظت NOx محاسبه شده توسط برنامه و اندازه گیری شده در فواصل 50 ، 100 و 200 متری از فلر می باشد. 71
شکل 4-5 : نمودار بیانگر میزان غلظت SO2 محاسبه شده توسط برنامه و اندازه گیری شده در فواصل 50 ، 100 و 200 متری از فلر می باشد. 71
شکل 4-6: نمودار بیانگر نیمرخ سرعت باد نسبت به ارتفاع برای یک روز زمستانی می باشد. 75
شکل 4-7 : نمودار بیانگر نیمرخ دما نسبت به ارتفاع برای یک روز زمستانی می باشد. 76
شکل 4-8 : نمودار بیانگر نیمرخ سرعت باد نسبت به ارتفاع برای یک روز تابستانی می باشد. 77
شکل 4-9 : نمودار بیانگر نیمرخ دما نسبت به ارتفاع برای یک روز تابستانی می باشد. 78
شکل 4-10 : شمایی از فضای محاسباتی 79
شکل 4-11 : شمایی از شبکه بندی محیط مورد بررسی 79
شکل 4-12 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر .خطوط تراز بیانگر تغییرات فشار نسبی محیط بر حسب پاسکال برای یک روز تابستانی به دلیل پخش آلاینده ها از فلر در جو می باشد. 81
شکل 4-13 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر . شکل بیانگر خطوط جریان حرکت آلاینده در جو برای یک روز تابستانی در جو ناپایدار می باشد. 81
شکل 4-14 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر. خطوط تراز بیانگر سرعت آلاینده ها برحسب متر بر ثانیه برای یک روز تابستانی می باشند . 82
شکل 4-15 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر .در شکل خطوط تراز بیانگر تغییرات دما برحسب کلوین در دهانه خروجی فلر در یک روز تابستانی می باشند. 82
شکل 4-16 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر. در شکل خطوط تراز بیانگر تغییرات چگالی (kgm3 )هوا در دهانه خروجی فلر برای یک روز تابستانی می باشند. 83
شکل 4-17 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر. شکل بیانگر نحوه پخش آلاینده های خروجی از فلر برای یک روز تابستانی برای جو ناپایدارمی باشد .خطوط تراز نیز بیانگر نسبت جرمی آلاینده ها می باشد. 84
شکل 4-18: محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر .خطوط تراز بیانگر تغییرات فشار نسبی محیط بر حسب پاسکال برای یک روز زمستانی به دلیل پخش آلاینده ها از فلر در جو می باشد. 84
شکل 4-19: محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر . شکل بیانگر خطوط جریان حرکت آلاینده در جو برای یک روز زمستانی در جو پایدار می باشد. 85
شکل 4-20 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر. خطوط تراز بیانگر سرعت آلاینده ها برحسب متر بر ثانیه برای یک روز زمستانی می باشند . 85
شکل 4-21: محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر .در شکل خطوط تراز بیانگر تغییرات دما برحسب کلوین در دهانه خروجی فلر در یک روز زمستانی می باشند. 86
شکل 4-22 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر. در شکل خطوط تراز بیانگر تغییرات چگالی (kgm3 )هوا در دهانه خروجی فلر برای یک روز زمستانی می باشند. 86
شکل 4-23 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر. شکل بیانگر نحوه پخش آلاینده های خروجی از فلر برای یک روز زمستانی برای جو پایدارمی باشد .خطوط تراز نیز بیانگر نسبت جرمی آلاینده ها می باشد. 87
شکل 4-24 : محور X فاصله بر حسب متر و محور Y ارتفاع برحسب متر .شکل بیانگر نحوه پخش CO در دهانه خروجی فلر برای یک روز تابستانی می باشد و خطوط تراز نسبت جرمی را نشان می دهند. 88
شکل 4-25: محور X فاصله بر حسب متر و محور Y ارتفاع برحسب متر .شکل بیانگر نحوه پخش CO در دهانه خروجی فلر برای یک روز زمستانی می باشد و خطوط تراز نسبت جرمی را نشان می دهند. 89
شکل 4-26: نمودار بیانگر تغییرات غلظت CO در ارتفاع 2 متری از سطح زمین ( ارتفاع سطح تنفس) برای دو روز زمستانی و تابستانی و غلظت استاندارد مجاز هوای پاک برای CO می باشد. 90
شکل 4-27: نمودار بیانگر تغییرات غلظت CO در ارتفاع 35 متری از سطح زمین برای دو روز زمستانی و تابستانی و غلظت استاندارد مجاز انتشار فلر برای CO می باشد. 90
شکل 4-28 : نمودار بیانگر تغییرات غلظت CO در ارتفاع در فاصله 5 متری از فلر برای دو روز تابستانی و زمستانی و غلظت استاندارد مجاز انتشار فلر می باشد. 91
شکل 4-29 : نمودار بیانگر تغییرات غلظت CO در ارتفاع در فاصله 50 متری از فلر برای دو روز تابستانی و زمستانی و غلظت استاندارد مجاز انتشار فلر می باشد. 91
شکل 4-30: محور X فاصله بر حسب متر و محور Y ارتفاع برحسب متر. شکل بیانگر نحوه پخش NO در دهانه خروجی فلر برای یک روز تابستانی می باشد و خطوط تراز نسبت جرمی را نشان می دهند. 92
شکل 4-31 : محور X فاصله بر حسب متر و محور Y ارتفاع برحسب متر. شکل بیانگر نحوه پخش NO2 در دهانه خروجی فلر برای یک روز تابستانی می باشد و خطوط تراز نسبت جرمی را نشان می دهند. 92
شکل 4-32: محور X فاصله بر حسب متر و محور Y ارتفاع برحسب متر. شکل بیانگر نحوه پخش NO در دهانه خروجی فلر برای یک روز زمستانی می باشد و خطوط تراز نسبت جرمی را نشان می دهند. 93
شکل 4-33 : محور X فاصله بر حسب متر و محور Y ارتفاع برحسب متر. شکل بیانگر نحوه پخش NO2 در دهانه خروجی فلر برای یک روز زمستانی می باشد و خطوط تراز نسبت جرمی را نشان می دهند. 93
شکل 4-34 : نمودار بیانگر تغییرات غلظت NOx در ارتفاع 2 متری از سطح زمین ( ارتفاع سطح تنفس) برای دو روز زمستانی و تابستانی و غلظت استاندارد مجاز هوای پاک برای آن می باشد. 94
شکل 4-35 : نمودار بیانگر تغییرات غلظت NOx در ارتفاع 35 متری از سطح زمین برای دو روز زمستانی و تابستانی و غلظت استاندارد مجاز انتشار فلر برای آن می باشد. 94
شکل 4-36 : نمودار بیانگر تغییرات غلظت NOx در ارتفاع در فواصله 5 متری از فلر برای دو روز زمستانی و تابستانی می باشد. 95
شکل 4-37: نمودار بیانگر تغییرات غلظت NOx در ارتفاع در فاصله50 متری از فلر برای دو روز تابستانی و زمستانی می باشد. 95
شکل 4-38 : محور X فاصله بر حسب متر و محور Y ارتفاع برحسب متر. شکل بیانگر نحوه پخش SO2 در دهانه خروجی فلر برای یک روز تابستانی می باشد و خطوط تراز نسبت جرمی را نشان می دهند. 96
شکل 4-39 : محور X فاصله بر حسب متر و محور Y ارتفاع برحسب متر. شکل بیانگر نحوه پخش SO2 در دهانه خروجی فلر برای یک روز زمستانی می باشد و خطوط تراز نسبت جرمی را نشان می دهند. 96
شکل 4-40 : نمودار بیانگر تغییرات غلظت SO2 در ارتفاع 2 متری از سطح زمین ( ارتفاع سطح تنفس) برای دو روز زمستانی و تابستانی و غلظت استاندارد مجاز اولیه و ثانویه هوای پاک برای آن می باشد. 97
شکل 4-41 : نمودار بیانگر تغییرات غلظت SO2 در ارتفاع 35 متری از سطح زمین برای دو روز زمستانی و تابستانی می باشد. 97
شکل 4-42: نمودار بیانگر تغییرات غلظت SO2 در ارتفاع در فاصله 5 متری از فلر برای دو روز تابستانی و زمستانی می باشد. 98
شکل 4-43 : نمودار بیانگر تغییرات غلظت SO2 در ارتفاع در فاصله 50 متری از فلر برای دو روز زمستانی و تابستانی می باشد. 98
شکل 4-44 : نمودار بیانگر تغییرات دما نسبت به چگالی در ارتفاع 26 متری از سطح زمین در جهت باد غالب برای دو روز زمستانی و تابستانی می باشد. 99
شکل 4-45 : نمودار بیانگر تغییرات دما نسبت به چگالی روی خط مرکزی فلر برای دو روز زمستانی و تابستانی می باشد. 99
فهرست جداول
جدول 1-1 :سهم کشورهای مختلف جهان از گازهای سوزانده شده در فلر یا تخلیه شده به محیط]6[ 4
جدول 2-1 :نسبت مولکولهای تشکیل دهنده هوای خشک در فشار 101325 پاسکال و درجه حرارت 15 درجه سلسیوس در سطح دریا ]32[ 14
جدول 2-2 :استانداردهای مجاز ملی کیفیت هوا در محیط]8[ 20
جدول 2-3 :استاندارهای مجاز انتشار آلاینده های معیار ]2[ 21
جدول 2-4:میزان انتشار هر یک از آلاینده های هوا از کلیه بخش های مصرف کننده انرژی هیدروکربوری در سال 1385برحسب تن]4[ 22
جدول 2-5 :سهم هر یک از آلاینده های هوا از کلیه بخش های مصرف کننده انرژی هیدروکربوری در سال 1385 به درصد]4[ 22
جدول 2-6 : مقدار انتشار گازهای آلاینده و گلخانه ای از کل بخش انرژی هیدروکربوری کشور طی سال های 85-1346 برحسب تن]4[ 23
جدول 2-7 : انتشار گازهای آلاینده و گلخانه ای از بخش صنعت به تفکیک نوع سوخت در سال 1385برحسب تن]4[ 24
جدول 3-1 :مقادیر ضرایب انتقال جرم آشفته ]21[ 52
جدول 3-2 :تقسیم بندی طبق بندی های انتشار پاسکویل: A بسیار ناپایدار، B ناپایدار، C ناپایداری خفیف، D خنثی، E پایداری خفیف، F پایدار، G بسیار پایدار]32[ 60
جدول 3-3 : تعریف کلاسهای ترنر: 1- بسیار ناپایدار، 2- ناپایدار 3- ناپایداری خفیف، 4- خنثی، 5- پایداری خفیف، 6- پایدار، 7- بسیار پایدار]32[ 60
جدول 3-4 : تعیین عدد کلاس کیفیت تابش]32[ 61
جدول 3-5 : تعیین براساس پوشش گیاهی]21[ 62
جدول 3-6: نرخ کاهش دما نسبت به ارتفاع با توجه به شرایط پایداری جو]21[ 65
جدول 4-1: مشخصات هواشناسی بدست آمده از ایستگاه سینوپتیک ایلام برای 31/4/88 68
جدول 4-2: مشخصات فیزیکی فلر 72
جدول 4-3 : مشخصات ترکیبات ورودی فلر در زمستان 73
جدول 4-4 : مشخصات ترکیبات ورودی فلر در فصل تابستان 73
جدول4-5 : نسبت جرمی آلاینده ها 74
جدول 4-6 : میانگین داده های هواشناسی ایستگاه سینوپتیک کرمانشاه 74
1) فصل اول: کلیات
1-1) مقدمه
صنعت بهره برداری نفت و گاز یکی از صنایع بسیار بزرگ کشور بوده و با توجه به نقش کلیدی آن در صنعت نفت وگاز از اهمیت اقتصادی زیادی برخوردار است . امروزه کانون توجه و نگرانی عمده جامعه بشری منعطف به حفاظت محیط زیست بوده و رعایت معیار های زیست محیطی به منظور تداوم زندگی بشر بر روی کره زمین از ضروریات جدی است . بدیهی است که در چنین شرایطی باید یکی از دغدغه های اصلی صنعت نفت و گاز آلاینده های خروجی از فلرها به شکل دود باشد و تاثیر آن بر محیط زیست و نقش آن در روند توسعه پایدار باشد . آلودگی هوا توسط فلرها مهمترین آلودگی بخش استخراج نفت و گاز می باشد .
مطابق 2000 مقاله رسمی چاپ شده در انجمن سلامت عمومی کانادا، 250 سم شناخته شده مختلف در طی فرآیند فلر به هوا تخلیه می شوند که برخی از آنها عبارتند از: دوده، بنزن، جیوه، اکسیدهای نیتروژن، دی اکسید کربن، آرسنیک، دی سولفید کربن، کروم، متان، سولفید کربنیل، تولوئن، گازهای اسیدی و هیدروکربنهای آروماتیک چند حلقه ای.
بدلیل آنکه احتراق در فلر معمولاً ناقص انجام می شود از این رو فلر در کیفیت هوا تاثیر قابل توجهی دارند. ایستگاههای کنترل کیفیت هوا افزایش مقدار مواد بخصوصی را که طی فرآیند فلر آزاد گردیده اند نشان داده اند. در این بررسی ها مشخص گردیده که غلظت سولفید هیدروژن و دی اکسید گوگرد در سطح زمین افزایش یافته است. البته فلرها همواره مقدار گاز دی اکسید کربن و منوکسیدکربن را در هوا افزایش می دهند. در کشورهای پیشرفته، کارخانه ها قبل از فلر نمودن گازها موظف هستند مجوزهای خاصی را از سازمانهای دولتی دریافت نمایند. برای این منظور آنها باید اطلاعاتی از قبیل زمان و تاریخ فلر نمودن، طول زمان این رویداد، ترکیب گازهای آزاد شده از فلر، تخمینی از دبی و تقریبی از غلظت آلاینده های ناشی از فلر نمودن گازها در سطح زمین را در اختیار سازمانهای دولتی قرار دهند. به عنوان نمونه در کالیفرنیا، پالایشگاهها موظفند میزان دبی گازهای ارسالی به فلر و همچنین نوار ویدئویی احتراق آن را در اختیار سازمانهای دولتی قرار دهند. مهمترین دلیل انجام این فعالیت، حوادث احتمالی ناشی از گازهای منوکسیدکربن، دی اکسید گوگرد و اکسیدهای ازت می باشد. برخی از ترکیبات آزاد شده از فرآیند فلر می توانند باعث تشدید بیماریهای تنفسی از جمله آسم شوند. مطابق گزارش سال 2000 موسسه محیط زیست آمریکا (EPA)، فلر می تواند غلظت بالایی از گازهای سمی را در محیط ایجاد نماید.
در نتیجه با توجه به این امر که صنایع نفت در هر کشوری از جمله صنایع تکامل یافته می باشند از این رو برنامه کاهش آلودگی این صنایع برای مدتهای طولانی است که در سطح جهان در حال انجام است. البته برنامه های کاهش آلودگی از کشوری به کشور دیگر تفاوت داشته که این امر گاهی وابسته به قوانین ملی و محلی کشورهاست. اگر چه تاثیر زیان آور گازهای انتشار یافته از فلرها بر انسان، گیاه و حیوان هنوز بصورت کمی ارایه نشده است اما مطالعات و فعالیتهای انجام گرفته تا بحال این تاثیر زیانبار را بصورت کیفی مشخص کرده اند.
– فلرهای فعال در میادین نفت و گاز و یا موجود در عملیات پالایش بطور مستقیم ایجاد گازهای گلخانه ای کرده که گرم شدن کره زمین نتیجه بدون شک آن می باشد.
– گازهای ارسالی به فلر در شرایط مختلف عملکرد آن باعث نشر گازهای متفاوتی نظیر دوده، ترکیبات آلی فرار نسوخته، منواکسیدکربن، گازهای اکسید نیتروژن، دی اکسید گوگرد، مرکاپتانها و دی اکسید گوگرد می شوند. نشر گازهای مذکور سلامت انسانهایی که در محیط اطراف مشغول به کار هستند را به مخاطره می اندازد. سروصدا، گرما، نور و ارتعاش از جمله تاثیر ناخوشایند عملیات فلر می باشند که نیاز به توضیح ندارد.
– تلفات انرژی در فلر از لحاظ اقتصادی بسیار حائز اهمیت است. کنترل و کاستن این تلفات می تواند منجر به کاهش نشر گازهای گلخانه ای و گرمایش زمین نیز گردد.
– گازهای انتشار یافته از فلرها نظیر اکسیدهای گوگرد و ازت در مجاورت آب موجود در اتمسفر می توانند حجم قابل توجهی اسید تولید نماید. اسیدهای مذکور قادر خواهند بود در محدوده وسیعی از محیط اطراف فلر تا هزاران کیلومتر دورتر پراکنده شوند.] 6 و 26[
1-2) هدف و ضرورت انجام تحقیق
هدف از انجام این تحقیق ، ارزیابی عددی انتشار آلاینده های خروجی از فلرها می باشد . پرداختن به موضوع فلر از دو جهت کلی دارای اهمیت می باشد . اول آنکه گازهای ارسالی به فلر ، گازهای با ارزش اقتصادی قابل توجهی است و نکته دوم تاثیرات مخرب زیست محیطی ناشی از احتراق گازهای مذکور است . بر اساس تخمین بانک جهانی سالیانه 110 میلیارد متر مکعب از گازهای در فلر سوزانده شده مستقیماً به محیط تخلیه می شود . این میزان گاز تلف شده می تواند نیاز سالیانه سوخت آمریکای مرکزی و جنوبی یا آلمان و یا ایتالیا را مرتفع سازد . شکل (1-1) سهم قسمت های مختلف جهان را از گازهای فلر یا تخلیه شده به محیط بر اساس آمارهای بانک جهانی نمایش می دهد .
شکل 1-1 : سهم قسمت های مختلف جهان از گازهای سوزانده شده در فلر یا تخلیه شده به محیط]6[
گازهای فلر در آفریقا به تنهایی 37 میلیارد متر مکعب است که می تواند 200 تراوات ساعت الکتریسیته تولید نماید ( حدود نصف برق مصرفی قاره آفریقا ) . جدول (1-1) بصورت تقریبی مقادیر گازهای سوزانده شده در فلر یا تخلیه شده به محیط را برای برخی از کشورهای جهان نمایش می دهد. این ارقام از آمارهای بانک جهانی گزارش شده است . همانطور که ملاحظه می گردد سهم کشورهای در حال توسعه از کل گازهای فلر شده در دنیا بیش از 85 درصد می باشد . دلیل این مطلب آن است که این کشورها عمده ترین تولید کنندگان نفت و گاز جهان برای صادرات می باشند . کشورهای در حال توسعه از یک قانون همسان مانند کشورهای توسعه یافته پیروی نمی کنند . از اینرو همچنان شیوه های نا کارآمد را در فرایند تولید بکار می گیرند .
مطابق گزارش 1GAO در سال 2004 ، فلر نمودن گازها در قسمت های مشخصی از جهان تمرکز بیشتری داشته که شامل کشورهای الجزیره ، آنگولا ، اندونزی ، ایران ، مکزیک ، نیجریه ، روسیه و ونزوئلا می باشد . این کشورها در مجموع 60 درصد از گازهای طبیعی را فلر و یا به محیط تخلیه می کنند . این گزارش همچنین خاطر نشان می کند اطلاعات موجود در این زمینه از اعتبار بالایی برخوردار نمی باشند . زیرا گاهی اطلاعات از مراجعی هستند که آنها را بصورت داوطلبانه و ابتدایی ارائه کرده اند .این فقدان اطلاعات یک مشکل جهانی و کلی است . این گزارش بیان می دارد یک روز احتراق گازهای اسیدی در فلر قادر است از یک سال فعالیت واحد بازیافت گوگرد2 ، دی اکسید گوگرد بیشتری تولید نماید . بر اساس اطلاعات سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا3 فلرهایی که گازهای اسیدی به آنها ارسال می شود قادر هستند در طول 24 ساعت بیش از 100 تن دی اکسید گوگرد تولید نمایند .]6[
جدول 1-1 :سهم کشورهای مختلف جهان از گازهای سوزانده شده در فلر یا تخلیه شده به محیط]6[
کشور
گاز فلر شده ( میلیارد متر مکعب )
سهم کشور از کل فلر تولیدی در جهان (%)
الجزیره
8/6
6
آنگولا
4/3
4
چین
2/3
3
مصر
9/0
1
اندونزی
5/4
4
ایران
5/10
10
مکزیک
6/5
5
نیجریه
2/17
16
دانمارک ، نروژ و انگلستان
7/2
3
روسیه
5/11
11
آمریکا
8/2
3
ونزوئلا
5/4
4
سایر کشورها
33
30
جمع کل
5/107
100
از اینرو مدیریت گازهای فلر بستر مناسبی برای انجام فعالیتهای علمی ، تحقیقاتی و کاربردی نه تنها در سطح کشور بلکه در کل دنیا می باشد . کشور عزیزمان ایران با داشتن مخازن عظیم نفت و گاز و همچنین تاسیسات گسترده در بخش های بالا دستی ، میان دستی و پایین دستی مقادیر قابل توجهی از گازهای با ارزش را در فلر ها به گاز های مخرب برای محیط زیست تبدیل می نماید . اگر چه اقدامات گسترده ای نظیر طرح آماک با هدف کاهش تلفات این سرمایه ملی در کشور بعمل آمده است اما هنوز ضرورت ارائه راهکارهای مناسب در این زمینه وجود داشته که در طرحی جامع قابل بررسی می باشد.
1-3) تاریخچه
1-3-1) تاریخچه مختصری از علم آلودگی هوا
علم هواشناسی یکی از قدیمی ترین و با سابقه ترین رشته ها است . علم آلودگی هوا تاریخ کوتاه تری دارد . آلودگی طبیعی هوا در زمین از زمان پیدایش این سیاره وجود داشته است . آتش سوزی ها، انفجار آتشفشان ها ، برخورد شهاب سنگها و باد های عظیم همه باعث ایجاد آلودگی طبیعی هوا می شود. مشکلات آلودگی هوا در اثر پیدایش و تکامل انسان در مقیاس های شهری و روستایی برای قرن ها وجود داشته و از سوختن چوب ها ، گیاهان ، زغال سنگ ، نفت ، گازهای طبیعی ،پسماند ها و مواد شیمیایی ناشی می شده است .
در قرن 19 و اوایل قرن 20 ، بیشتر آلودگی هوا در اثر انتشار آلاینده های ناشی از سوختن زغال سنگ ، آلاینده های تولیدی ازکوره های کارخانه های شیمیایی و دود کش ساختمان ها بود . در سال 1905 هارولد آنتونی دیسووکس ، ترکیب دود و مه را که در شهر هایی نظیر بریتانیای کبیر مشاهده کرده بود به عنوان مه دود تعریف کرد . مه دود ناشی از سوختن مواد شیمیایی و زغال سنگ منجر به چندین حادثه آلودگی هوا ، که باعث مرگ هزاران نفر بین سال های 1850 تا 1960 شد . بدترین حادثه در دسامبر سال 1952 رخ داد هنگامی که مه دود منجر به مرگ 4000 نفر در لندن شد . آلودگی ناشی از سوخت زغال سنگ و کوره های کارخانه های شیمیایی همراه با مه به طور معمول مه دود نوع لندن نامیده می شود .
در اوایل قرن 20 استفاده گسترده از اتومبیل ها و افزایش فعالیت های صنعتی باعث پخش نوع دیگری از آلودگی به نام مه دود فتوشیمیایی شد .در آن زمان این آلودگی بیشتر از بقیه آلودگی ها مورد توجه قرار گرفت و تقریباً هر روز در لوس آنجلس کالیفرنیا دیده می شد . این آلودگی تا حدی جدی شد که بخش کنترل آلودگی هوا در لوس آنجلس در سال 1947 جهت مبارزه با آن شکل گرفت. تا سال 1951 ، هنگامی که آری هاگن اسمیت از اکسید نیتروژن و گازهای ارگانیک واکنش دهنده در حضور نور خورشید در آزمایشگاه ازن تولید کرد و اعلام کرد که این گازها ترکیبات اصلی آلودگی هوای لوس آنجلس هستند، ترکیبات تشکیل دهنده مه دود فتوشیمیایی به طور کامل روشن نبود. از آن به بعد مه دود فتوشیمیایی در بیشتر شهرهای جهان دیده شده است .
قبل از قرن بیستم ، آلودگی هوا نه به عنوان یک علم بلکه به عنوان یک مشکل تنظیمی در نظر گرفته می شد. در بریتانیای کبیر انتشار آلاینده های ناشی از کوره ها و موتورهای بخار منجر به قانون سلامت عمومی در سال 1848 شد . انتشار کلرید هیدروژن از کارخانه های تولید صابون منجر به قانون آلکلی درسال 1863 شد . در این دو مورد کاهش آلودگی به مسئولان شهرداری محول شد . در بیشتر موارد قوانین تصویب شده تا حد زیادی باعث کاهش آلودگی نمی شدند اما در بعضی موارد منجربه به وجود آمدن تکنولوژی های کنترل آلودگی مانند تسریع کننده های ته نشینی الکترواستاتیکی برای کاهش انتشار ذرات از دودکش ها شدند . در یک مورد ، پیشرفت تکنولوژی کنترل آلودگی- دستگاه تصفیه برای حذف گاز اسید هیدروکلریک خروجی از کارخانه های شیمیایی- شرایط را جهت منحل شدن قانون آلکلی در سال 1863 فراهم کرد . در این میان حتی اختراعاتی که به قوانین آلودگی هوا مرتبط نبودن باعث کاهش برخی از مشکلات آلودگی شدند . به عنوان مثال ، در اوایل قرن بیستم ظهور موتور های الکتریکی که منابع سوخت را درتسهیلات الکتریکی متمرکز می کرد باعث کاهش آلودگی هوای محلی تولید شده از موتورهای بخار می شد.]21[
1-3-2) مروری بر مطالعات پیشین
در دهه 1950 کار های آزمایشگاهی در جهت درک بهتر ترکیبات و شکل گیری مه دود فتوشیمیایی و نوع لندن صورت گرفت . از آنجایی که در آن زمان رایانه ها در دسترس قرار داشتند الگوسازی الگو های جعبه ایی واکنش های شیمیایی اتمسفری به آسانی انجام می شد . بدین ترتیب در سال 1950 اولین الگو های هواشناسی و کاربرد آنها در الگو های آلودگی هوا مطرح شد . در دهه 1960 و 1970 الگو های آلودگی هوا – به نام الگو های کیفی هوا – به دو بعد و سه بعد بسط داده شدند . این الگو ها شامل عملیات انتشار ، انتقال ، شیمی گاز و نشست گازها روی زمین می شد . بیشتر این الگو ها از داده های هواشناسی به عنوان ورودی استفاده می کردند . الگو های هواشناسی دهه 60 و 70 میلادی به اندازه کافی دارای شبکه های کوچک بودند تا مقیاس های منطقه ای را تحت پوشش قرار دهند. امروزه بسیاری از الگو های کیفی هوا از حوزه های هواشناسی محاسبه شده در زمان حقیقی به عنوان ورودی استفاده می کنند.]21[
در دهه 1970 ، مشکلات آلودگی اتمسفر ناشی از آلودگی هوای شهری به طور گسترده مورد توجه قرار گرفت . این مشکلات شامل نشست اسید منطقه ای ، کاهش ازن جهانی ، کاهش ازن قطب ها و تغییر آب و هوای جهانی بود . در ابتدا مشکلات کاهش ازن و تغییرات آب و هوا به طور مجزا توسط هواشناسان دینامیکی و شیمیدان های اتمسفری مورد بررسی قرار می گرفت .اخیراً الگو های رایانه ای که شیمی اتمسفری و هواشناسی دینامیکی را همزمان بررسی می کنند جهت مطالعه این موارد به کار می روند .
در این زمینه الگو گوسی از منابع نقطه ای بدون بازتابش از سطح زمین در سال 1936 توسط بوسانکت و پیرسون4 ارائه شد که الگو نیمه تجربی بود. الگو گوسی از منابع نقطه ای به همراه بازتابش از منابع نقطه ای و پخش در دو جهت قائم و افقی در سال 1947 توسط آقای گراهم ساترن 5ارائه شد . در سال های 1971 تا 1973 هانا6 و همکارانش الگو های شهری را مورد بررسی قرار دادند . در سال 1982 هانا به تنهایی الگو شهری پیشرفته را ارائه کرد . الگو گوسی آی اس سی7 به صورت عملیاتی در سال 1989 به کاربرده شده اند و در سال 1992 مورد بازنگری قرار گرفتند. الگو سازی پدیده های هواشناسی در دهه 1990 با شبکه های 1 تا 5 کیلومتری اجرا شدند ، در کنار این الگو ها، الگو های آلودگی مانند سی مک8 تهیه شد. سپس مدت 25 سال الگو پر استفاده در پیش بینی غلظت آلاینده با وجود منابع متعدد الگو آی اس سی تری9 بود.
هانا وسایر سن در سال 1997 با استفاده از ایرمود انتشار ناشی از دودکش 6/83 متری نیروگاه پریک10 واقع در مرکز شهر ایندیاناپولیس آمریکا را بررسی کردند. این الگوی جدید به علت عملکرد قابل قبول و بهتر نسبت به بسیاری از الگو های دیگر در سال 2001 جایگزین الگو آی اس سی تری شد.]21[
به تازگی با پیشرفت علوم سخت افزار و نرم افزار رایانه و در نتیجه بالا رفتن سرعت محاسبات رایانه ای ، مطالعاتی برای الگو سازی عددی رفتار هیدرودینامیکی ذرات معلق و گازهای آلاینده در هوا انجام شده است. ژانگ11و همکارانش ]33[چگونگی پخش گرد و غبار را در داخل سالن یک هواپیما با استفاده از عددی و با به کارگیری الگو آشفتگی RNG k-ε الگو سازی نمودند. برای الگو نمودن انتقال ذرات از روش لاگرانژ استفاده شد. نتایج به دست آمده از الگو سازی با مقادیر اندازه گیری شده مقایسه شده و تطابق کیفی خوبی گزارش شد. ناراسیمها12و همکارانش]24[جداسازی ذرات معلق هوا را در یک سیلکون با استفاده از الگو آشفتگی LES ، الگو دو فازی آمیزش و خط سیر لاگرانژی الگو سازی نمودند. در این الگو سازی از نرم افزار الگوسازی سیالات استفاده شده و الگو دو فازی آمیزش برای نیروهای لیف دیواره ، تغییر شکل مخلوط و برخورد ذرات تصحیص گردید. نتایج به دست آمده از الگو سازی با داده های توزیع سرعت و چگالی موجود در منابع مقایسه شده و تطابق خوبی مشاهده شد. ژونگا و ماجامدار13رفتار گاز – ذره در داخل یک بستر استوانه ای سیال شامل ذرات کره ای را با استفاده از یک الگوی اولری – اولری الگوسازی نمودند]34[. در تحقیق دیگری که توسط ژونگا و ماجامدار انجام شد، اثر متقابل گاز – ذره با استفاده از الگو دراگ گیپسو پیش بینی شده و نتایج به دست آمده با داده های تجربی منتشر شده مورد مقایسه قرار گرفت. تطابق خوبی بین داده های تجربی و هیدرولیک جریان پیش بینی شده مشاهده گردید.
در سال 1385 دفتر همکاری های فناوری ریاست جمهوری پروژه ای تحت عنوان بررسی وضعیت کشور از لحاظ انتشار آلاینده های هوا در چشم انداز 20 سال آینده را تعریف کردند . در همین سال امیر محمد یدقار با راهنما یی دکتر هما کشاورزی و دکتر یوسف رشیدی پراکنش آلاینده های منتشره از منابع متحرک آلودگی هوا بر پایه ی GIS ( مطالعه موردی : تهران بزرگ ) را الگو سازی کردند .]5[
در سال 1386 سعیده تشرفی در سی و سومین کنفرانس محیط شناسی تعیین میزان دی اکسید نیتروژن در هوا با استفاده از روش نمونه برداری غیرفعال و مقایسه با روش های دستگاهی را ارائه نمود .]3[
در سال 1388 مجدالدین عمید با راهنمایی دکتر خسرو اشرفی انتشار آلاینده های تولیدی در مجتمع پتروشیمی بوعلی سینا را در دانشکده محیط زیست دانشگاه تهران به عنوان پایان نامه کارشناسی ارشد الگوسازی کرد]9[. در همین سال اصغر علیزاده داخل ، آریامن قویدل و محمد پناهنده پخش ذرات معلق کارخانه سیمان کرمان با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی را الگوسازی کردند]10[ . در این سال پروژه ای تحت عنوان امکان سنجی و انتخاب فرایند مناسب برای بازیافت گاز فلر و استفاده مجدد از آن با هدف برآورد کلی حجم گازهای ارسالی به فلر ، بررسی امکان بازیابی ارسال گازهای ارسالی به فلر به صورت کلی و جزئی همراه با ارائه نقشه های مربوط به فرایند انتخاب شده به منظور بازیابی برای شرکت مجتمع گاز پارس جنوبی تعریف شد]4[ . در همین راستا در سال 1389 شرکت مجتمع گاز پارس جنوبی پروژه دیگری تحت عنوان بررسی و امکان سنجی کاهش و بازیابی گازهای احیاء واحد MRU فاز 1 و مشخص کردن محل مصرف برای آن را تعریف کرد ، در واقع در فاز یک به دلیل انجام تغییرات عمده در واحدهای MRU مقدار گاز ارسالی به مشعل های پالایشگاه که ناشی از احیای بسترهای این واحد است بطور مداوم افزایش قابل ملاحظه ای داشته است به نحوی که علاوه بر هدر روی گاز بطور مداوم مشکلات زیست محیطی را نیز موجب گردیده است لذا با توجه به این مسئله ارائه راهکارهایی جهت جلوگیری از فرستادن این گاز به مشعل ها ضروری به نظر رسیده است. در اواخر سال 1389 مطالعه و الگوسازی پخش آلاینده های هوا در محدوده مجتمع گاز پارس جنوبی به همراه تهیه نرم افزار مناسب به منظور تعیین منبع اصلی آلودگی با هدف اصلی ایجاد توانمندی لازم جهت تخمین میزان آلاینده ها در محدوده شرکت مجتمع گاز پارس جنوبی و شناسایی عوامل موثر در ایجاد و پخش آلاینده های موجود در جو مورد بررسی قرار گرفت. در همین سال طاهره قسامی ،علی اکبر بیدختی ، عبدالله صداقت کردار و فاطمه صحرائیان به بررسی تغییرات قائم دمای پتانسیل در چند دوره بحرانی آلودگی هوای تهران پرداختند]12[.
روشی که تا کنون برای الگو سازی انتشار آلاینده های هوا از فلرها استفاده شده است، الگو پلوم گوس است. این الگو برای محاسبه غلظت آلاینده های هوای محیط نسبت به یک منبع نقطه ای(مثل دودکش کارخانه ) قابل استفاده است. ضعف اصلی این روش ها و الگوهای آماری ، عدم توانایی محاسبه نیمرخ سرعت و ثابت فرض نمودن ضریب پخش آشفتگی است. در این الگوها از معادلات نیمه تجربی برای تقریب نیمرخ سرعت هوا در محیط استفاده شده است. دینامیک سیالات محاسباتی روشی است که در آن با حل همزمان معادلات بقای اندازه حرکت و جرم روی دامنه مورد نظر ، مشخصات جریان ( از جمله نیمرخ سرعت ) در تمام نقاط دامنه حل به دست می آید.]1[
1-4) ساختار پایان نامه
این پایان نامه مشتمل بر 5 فصل می باشد :
در فصل 1 به بحث مقدمه، بیان اهمیت مطالعه و هدف از انجام کار ، تاریخچه و خلاصه ای از کل فصول پایان نامه پرداخته شده است .
در فصل 2 به معرفی آلودگی هوا و آلاینده های معیار پرداخته و سپس شاخص های هواشناسی در آلودگی هوا را مورد بررسی قرار داده و در نهایت به معرفی فلرها و آلودگی ناشی از آنها پرداخته شده است .
در فصل3 در ابتدا معادلات حاکم بر پخش آلاینده ها در فضای جو بیان شده است و سپس روابط حاکم و شرایط مرزی در قالب عددی ، تحلیل مناسب معادلات و بررسی داده های هواشناسی ورودی الگو بیان شده است .
در فصل 4 در ابتدا صحت سنجی الگو مورد بررسی قرار گرفته است ، سپس مختصری از مشخصات منطقه مورد بررسی و فلر آن ذکر شده ، نیمرخ باد شرایط پایداری مختلف جو ، هندسه الگو ، شرایط مرزی و فرضیات الگوسازی انتشار آلاینده های فلر بیان شده است و در نهایت به تشریح و تفسیر نتایج در 2 روز زمستانی و تابستانی پرداخته شده است .
فصل 6 شامل خلاصه نتایج و یافته های مطالعات می باشد که در آن پیشنهاداتی برای کارهای آینده نیز ارائه شده است.
2) فصل دوم: مروری بر مباحث نظری
2-1) آلودگی هوا
2-1-1) تعریف جزء هوا
هوا مخلوطی از گازهای مختلف است که دور تادور کره زمین را پوشانده اند. اتمسفر زمین جرمی معادل 10 متر آب دارد که 90 درصد آن در ارتفاع 16 کیلومتری بالای سطح دریا قرار دارد.
2-1-2) ساختار طبیعی هوا
هوا از تعدادی مولکول گاز تشکیل شده است که نسبت آنها هم در جهت افقی و هم در جهت عمودی و هم از نظر زمان ثابت است ]32[ . هوا عمدتا از گازهای نیتروژن، اکسیژن و آرگون تشکیل شده است (99.998 درصد) .
جدول 2-1 :نسبت مولکولهای تشکیل دهنده هوای خشک در فشار 101325 پاسکال و درجه حرارت 15 درجه سلسیوس در سطح دریا ]32[
مولکول
علامت
نسبت حجمی
نیتروژن
1/78 %
اکسیژن
9/20 %
آرگون
93/0 %
دی اکسید کربن
ppm370
نئون
ppm 18
هلیوم
ppm 5
متان
ppm 7/1
هیدروژن
ppm 35/0
اکسید نیتروژن
ppm 31/0
وزن مولکولی هوا به طریق زیر قابل محاسبه است:
(1-4)
M_a=("781/0 ×01/28 )+(9/20×32)+(0093/0 ×95/29)+(00037/0 ×01/44)=95/28 " 〖mol〗^(-"1" )
همراه با این مولکول مواد زیادی دیگری هم در جو وجود دارند . در واقع علاوه بر این ترکیبات ثابت هوا مواد دیگری که عمدتاً آلاینده های هوا هستند به عنوان ترکیبات متغیر با غلظت های متفاوت در هوا وجود دارند که با هوا مخلوط می شوند و غلظت این مواد با زمان و مکان تغییر می کنند ، در ادامه به بررسی دقیق تر آنها پرداخته شده است. ]11[
2-1-3) تعریف هوای آلوده
تعریف های مختلفی برای هوای آلوده ارائه شده است:
وجود آلاینده ها در هوا در سطحی که برای سلامت انسان و یا مجموعه های اکولوژیکی اخلال ایجاد کند (یک نهاد انگلیسی).
تخلیه مواد نامطلوب و گازها یا شکل گیری این گازها از مواد منتشره به وسیله واکنش های شیمیایی در اتمسفر (کانادا).
شرایطی از هوا که برای سلامتی، ایمنی یا رفاه انسان و زندگی معمول و ویژگی های آن خطرناک است یا سلامت زندگی حیوانات را به خطر می اندازد یا موجب خسارت به حیات یا خواص گیاهان می شود (ایالت آلبرتای آمریکا).
حضور یک یا چند آلاینده هوا در اتمسفر در مقادیر و مشخصات و مدت زمانی که موجب آسیب به حیات یا ویژگی های انسان، گیاه یا حیوان شود یا به گونه ای غیر قابل قبول رفاه و سلامت زندگی را تحت تاثیر قرار دهد (ایالت مین آمریکا) .
به طور کلی وجود یک یا چند آلوده کننده در هوای آزاد به آن مقدار، مدت و ویژگی ها که برای زندگی انسان، گیاه و یا حیوانات خطرناک بوده و برای اشیاء و متعلقات زندگی مضر باشد و یا بطور غیر قابل قبولی مخل استفاده راحت از اموال گردد هوای آلوده نامیده می شود.
2-1-4) منابع آلاینده هوا
منابع آلاینده طبیعی: بدون دخالت مستقیم بشر باعث آلودگی هوا می شوند.
طوفان، گرد و غبار صحرا، آتش سوزیهای خودبخود جنگلها، اقیانوسها، فعالیت آتشفشانها
منابع آلاینده مصنوعی: منابعی که با دخالت انسان باعث پخش آلاینده ها در هوا می شوند.
– وسایل نقلیه موتوری
– صنایع و نیروگاهها
– منابع تجاری و خانگی
سهم آلوده کنندگی منابع مصنوعی به مراتب بیشتر از منابع طبیعی می باشد.
2-1-5) عناصر آلاینده
– آلاینده های گازی اولیه و ثانویه
– ذرات معلق اولیه و ثانویه
– آلاینده های رادیواکتیو
در این رساله هدف بررسی آلاینده های گازی خروجی از فلر های گاز سوز می باشد از اینرو در ادامه انواع آنها آورده شده است .
آلاینده های گازی اولیه
انتشار گازی اولیه آلاینده های هوا به قرار زیرند :
– ترکیبات گوگرد (برای مثال، ، )
– ترکیبات نیتروژن (برای مثال، ، )
– ترکیبات کربن (برای مثال،هیدروکربن ها ، )
– ترکیبات هالوژنها (برای مثال،فلوئوریدها، کلریدها، برومیدها)]32[
آلاینده های ثانویه گازی
واکنشهای شیمیایی اتمسفری (به ویژه واکنشهای فوتوشیمیایی) باعث تغییر شکل آلاینده های اولیه به فرآورده های حد واسط واکنش (برای مثال، رادیکالهای آزاد) و در پایان به فرآورده های نهایی پایدار می گردد که در اصطلاح آلاینده های ثانویه نامیده می شوند. آلاینده های ثانویه گازی عمده عبارتند از:
– تشکیل شده از اولیه
– تشکیل شده از واکنشهای فوتوشیمیایی]32[
2-1-6) آلاینده های معیار14:
آلاینده های معیار هوا، مواد آلاینده حاصل از منابع طبیعی یا منابع ساخته شده توسط انسان می باشند و قادرند به محیط زیست یا سلامتی انسان آسیب بزنند .
آلاینده های سمی که بیشترین اهمیت را دارند، آن دسته از موادی هستند که باعث ایجاد مسائل و مشکلات بهداشتی می گردند و تعداد افراد بسیاری را تحت تاثیر قرار می دهند.]32 و 11[
به طور کلی آلاینده های معیار براساس استانداردهای کیفیت هوای محیط آمریکا تعریف شده اند و براساس قانون هوای پاک بیشتر فعالیت های پایش انتشار، غلظت ها و تاثیر آلودگی هوا بر آنها استوار است. این آلاینده ها براساس تحقیقات انجام شده به صورت دوره ای بازنگری می شوند .
این آلاینده ها عبارتند از :
1) منواکسید کربن (CO)
2) اکسیدهای گوگرد (SOx)
3) اکسید های نیتروژن (NOx)
4) ترکیبات آلی فرار ( VOC )
5) ذرات معلق (PM)
6) ازون (O3)
در ادامه به بررسی آلایندهای منواکسیدکربن ، دی اکسیدکربن ، اکسیدهای ازت و اکسیدهای گوگرد که مد نظر در این رساله می باشند پرداخته شده است.
2-1-6-1) منواکسید کربن ()
منبع تولید: احتراق بنزین، گاز طبیعی، زغال سنگ و نفت منجر به انتشار می گردد. شکل (2-1) درصد منابع تولید کننده منواکسیدکربن را نشان می دهد .
منواکسیدکربن گازی بی رنگ و بی بو بوده؛ در غلظت های بالا، سمی و کشنده و در غلظت های کم باعث خستگی، سردرد، سرگیجه و تشنج می گردد. انتشار آن حاصل از احتراق ناقص می باشد.
شکل 2-1 :سهم هریک از منابع تولید کننده منواکسیدکربن به درصد]مرجع USEPA [
منابع دیگر انتشار فرایندهای صنعتی، آتش سوزی ها و احتراق سوخت در اثر منابع ساکن مانند فلرها و دودکش ها می باشند. حداکثر غلظت اغلب در ماه های سرد سال و یا طی شرایط وارونگی است که طی آن آلاینده ها در لایه های گرم تر و پایین تر محصور می شوند . در احتراق کامل دی اکسید کربن ایجاد می شود و گازی سنگین، بی رنگ و بی بو است. ]32 و 11[
2-1-6-2) اکسید های گوگرد
منبع تولید: مراکز ثابت احتراق سوختهای فسیلی مثل نیروگاههای حرارتی ، پالایشگاههای نفت و گاز، کارخانه های ذوب مس،کارخانه های سیمان، حمل و نقل جاده ای و فرآیندهای صنعتی کاغذ و فلز.
یکی از اجزاء اصلی تشکیل دهنده باران اسیدی و جزء ذره های اسیدی بوده که می تواند به درختان و دریاچه ها آسیب رساند . ذرات جزء هوایی اسیدی قدرت بینایی را نیز کاهش می دهد . شکل (2-2) سهم هریک از منابع تولید اکسیدهای گوگرد را نمایش می دهد .
شکل 2-2 :سهم هریک از منابع تولید کننده اکسیدهای گوگرد به درصد] مرجع USEPA [
مهمترین اکسید گوگرد که به هنگام احتراق حاصل می شود، انیدرید سولفورو نامیده می شود . انتشار گوگرد عمدتاً به شکل معمول ترین مشکل آلودگی هوا در سراسر جهان را نمایش داده می دهند. این گاز سنگین تر از هوا بوده و بویی زننده و نافذ داشته و بی رنگ است و به آسانی با بخار آب ترکیب و تولید اسید سولفورو می کند. نفت و گاز بسیاری از چاه های نفتی آلوده به گوگرد هستند. بخش عمده گوگرد موجود در نفت و گاز بصورت می باشد. برای جداسازی از نفت و گاز، از فرآیند جذب (شیرین کردن گاز و نفت ترش) توسط آمین ها استفاده می گردد. با وجود جداسازی از نفت و گاز، مقادیر بسیار ناچیزی از آن باقیمانده و غیرقابل جداسازی می باشد. زغال سنگ نیز بطور ذاتی دارای گوگرد است. گاز دی اکسید گوگرد دارای بوی زننده و تند مخصوصی است که وقتی غلظت آن به 5/0 برسد قابل تشخیص است .]32 و 11[
2-1-6-3) اکسیدهای نیتروژن (NOx)
اکسیدهای نیتروژن: NO, NO2, NO3, N2O, N2O3, N2O4, N2O5 .
منبع تولید: سوخت بنزین، گاز طبیعی، زغال سنگ و نفت. خودروها منبع مهمی برای انتشار هستند.در کل به دو صورت زیر منتشر می شوند :
اکسیدهای نیتروژن حرارتی: در اثر ترکیب اکسیژن و نیتروژن موجود در هوا در دمای بالا تشکیل می شود
اکسیدهای نیتروژن سوختی: به هنگام احتراق در اثر اکسید شدن نیتروژن موجود در ساختار شیمیایی سوخت تولید می شود .
شکل 2-3 :منابع اکسیدهای نیتروژن در آمریکا (مرجع : USEPA, 2003 )
دی اکسید نیتروژن یکی از اجزاء اصلی تشکیل دهنده باران اسیدی یا ذرات جزء هوایی اسیدی بوده که می تواند درختان و برکه ها یا دریاچه ها را تخریب نماید و به آنها آسیب بزند. جزء ذره های اسیدی میزان بینایی را نیز کاهش می دهند .
ازت گازی است بی طعم و بی بو که 78 درصد از اتمسفر را تشکیل می دهد. برخلاف ازت، که گازی بی ضرر است، اکسیدهای ازت برای انسان خطرناک هستند. تعداد اکسیدهای ازت زیاد است اما در میان آنها دو آلوده کننده مهم اکسید نیتریک و دی اکسید ازت می باشند.
الف) اکسید نیتریک: گازی است بی رنگ و تا حدی سمی که به هنگام احتراق و در حرارت نسبتاً بالا تولید می شود. حرارت احتراق به حدی بالا است که مناسب ترکیب اکسیژن و ازت هوا می باشد. چنین حرارتی فقط در کوره های قوی و یا احتراق در فشار بالا تولید می شود.
ب) دی اکسید ازت: مقداری از گاز که نسبتاً بی خطر است در اتمسفر تبدیل به گاز دی اکسید ازت می شود که گازی بسیار خطرناک است. اکسیداسیون به در غلظت های بالا، سریع و در غلظت های پایین، آهسته است. بجز در مواردی که هیدروکربن و نور خورشید وجود داشته باشد . در واکنش فتوشیمیایی براحتی تشکیل می شود و بدین ترتیب آن را یکی از محصولات فتوشیمیایی می نامند، در صورتی که منبع اصلی آن احتراق در حرارت زیاد است. دی اکسید ازت یکی از آلوده کننده های مهم می باشد. این گاز به رنگ زرد قهوه ای است و باعث کاهش بینایی می گردد. ]32 و 11[
2-1-7) استانداردهای مجاز هوا
1) استانداردهای مجاز کیفیت هوای محیط15
2) استانداردهای مجاز انتشار16
2-1-7-1) استانداردهای مجاز کیفیت هوای محیط
– استانداردهای مجاز اولیه17: سطحی از آلاینده ها که بهداشت و سلامت انسان را حفظ می کنند بعلاوه یک حاشیه اطمینان بدون توجه به اینکه استانداردها از لحاظ اقتصادی یا فنی قابل دستیابی باشند . استانداردهای اولیه بایستی از حساس ترین اقشار جامعه شامل افراد پیر و بیمار نیز حفاظت کنند.
– استاندادرهای ثانویه18 : این استانداردها سختگیرانه تر از استانداردهای اولیه هستند و به منظور حفاظت اموال عمومی نظیر ساختمان ها، گیاهان و حیوانات تدوین شده اند. از آنجا که دستیابی به استانداردهای ثانویه بسیار دشوار می باشد، اغلب همان استانداردهای اولیه مورد توجه قرار می گیرند .
جدول 2-2 :استانداردهای مجاز ملی کیفیت هوا در محیط]8[
نوع آلاینده
مقدار استاندارد*
نوع استاندارد
منواکسید کربن
متوسط 8 ساعته
"9 ppm( 10" mg⁄m^3 ")"
اولیه
متوسط 1 ساعته
"35 ppm( 40" mg⁄m^3 ")"
اولیه
دی اکسید نیتروژن
متوسط حسابی سالانه
"053/0 ppm( 1/0" mg⁄m^3 ")"
اولیه و ثانویه
دی اکسید سولفور
متوسط حسابی سالانه
"03/0 ppm( 08/0" mg⁄m^3 ")"
اولیه
متوسط 24 ساعته
"14/0 ppm( 365/0" mg⁄m^3 ")"
اولیه
متوسط 3 ساعته
"50/0 ppm( 3/1" mg⁄m^3 ")"
ثانویه
* مقادیر داخل پرانتز، غلظت های معادل تخمینی هستند.
2-1-7-2) استانداردهای مجاز انتشار
– علاوه بر استانداردهای مجاز کیفیت هوای محیط ، قانون هوای پاک، سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا را موظف به تدوین استانداردهای مجاز انتشار برای برخی صنایع کرده است.
– استانداردهای بازدهی منابع جدید (19NSPS) برای بسیاری از منابع ایستگاهی نظیر نیروگاه ها، پالایشگاه ها، تصفیه خانه های فاضلاب، صنایع ذوب فلزات و … تدوین شده اند.
– مشابه این استانداردها با عنوان استانداردهای خروجی برای منابع آلاینده مختلف توسط سازمان حفاظت محیط زیست ایران و براساس ماده 15 قانون نحوه جلوگیری از آلودگی هوا تدوین شده است . جدول (2-3) استاندارهای انتشار آلاینده های معیار را توسط سازمان حفاظت محیط زیست ایران نشان می دهد .
جدول 2-3 :استاندارهای مجاز انتشار آلاینده های معیار ]2[
ردیف
عوامل آلاینده
منبع آلاینده
واحد
حد مجاز تخلیه
درجه 1
درجه 2
1
CO
پالایشگاه
ppm
130
130
ذوب آهن
ppm
435
435
کوره های قوس الکتریک برای تولید آهن
ppm
500
500
2
〖SO〗_2
نیروگاه ها و پالایشگاه
ppm
800
800
ذوب اولیه مس – سرب و روی
ppm
800
800
تهیه گوگرد
ppm
800
1000
تهیه اسید سولفوریک
ppm
1000
1200
تهیه کاغذ
تن/ kg
5/4
15
3
〖NO〗_X
پالایشگاه
ppm
350
350
تهیه اسید نیتریک
ppm
350
500
2-1-8) بررسی میزان تولید انتشار گازهای آلاینده در بخش انرژی هیدروکربوری کشور
یکی از مهمترین آلودگی های بخش انرژی ( براساس اقلیم ، نوع فعالیت و منابع طبیعی در منطقه و غیره ) آلودگی هوا در اثر انتشار و نشت گازهای آلاینده ناشی از احتراق سوخت های فسیلی است . اکسیدهای گوگرد (〖SO〗_x) ، اکسیدهای نیتروژن (〖NO〗_x) ، منواکسیدکربن (CO) ، ذرات معلق (SPM) ، هیدروکربن ها و دی اکسیدکربن (〖CO〗_2) ، گازهای آلاینده وگلخانه ای هستند که در اثر فعالیت های بخش انرژی به ویژه احتراق سوخت های هیدروکربوری به جو راه می یابند . گازهای گلخانه ای مانند 〖CO〗_2 سبب بروز پدیده تغییر آب و هوا و گرمایش جهانی شده و از بعد جهانی حائز اهمیت می باشند ، در صورتی که گازهای آلاینده ای مانند 〖SO〗_x ، 〖NO〗_x وCO سبب بارش باران های اسیدی ، بروز مخاطرات بهداشتی و سلامتی برای انسان و سایر موجودات گردیده و عمدتاً از دیدگاه منطقه ای و ملی مورد توجه قرار می گیرند . جداول (2-5) و (2-6) میزان انتشار گازهای آلاینده و گلخانه ای و سهم هر یک از بخش های مصرف کننده انرژی هیدروکربوری در انتشار این گازها را در سال 1385 نشان می دهد . بخش های حمل ونقل ، نیروگاه ها و صنایع سهم بسزایی در تولید دی اکسید گوگرد و اکسیدهای ازت دارند به طوری که به ترتیب حدود 5/81 و 86 درصد از انتشار کل این گاز در ایران مربوط به این بخش ها می باشد . همچنین بیش از 50 درصد این آلایندها ناشی از صنایع و نیروگاها می باشند . از اینرو همانطور که پیش از این نیز اشاره شد ارزیابی آلاینده های ناشی از صنایع نفت از نقطه نظرهای زیادی لازم و ضروری می باشد .] 5[
جدول 2-4:میزان انتشار هر یک از آلاینده های هوا از کلیه بخش های مصرف کننده انرژی هیدروکربوری در سال 1385برحسب تن]4[
بخش / گاز
〖NO〗_X
〖SO〗_2
〖CO〗_2
〖SO〗_3
CO
CH
SPM
خانگی ، تجاری و عمومی
121164
87244
125869250
956
71176
11854
12576
صنایع
132628
138673
62353065
1995
16527
6351
15269
حمل و نقل
853845
350932
111500973
3725
9512573
2085924
273446
کشاورزی
66602
68185
11114290
415
18968
46453
29072
نیروگاه ها
172332
192733
110207121
2943
222
6614
20728
جمع
1346571
837767
421044699
10034
9619466
2157196
351091
جدول 2-5 :سهم هر یک از آلاینده های هوا از کلیه بخش های مصرف کننده انرژی هیدروکربوری در سال 1385 به درصد]4[
بخش / گاز
〖NO〗_X
〖SO〗_2
〖CO〗_2
〖SO〗_3
CO
CH
SPM
خانگی ، تجاری و عمومی
0/9
4/10
9/29
5/9
7/0
5/0
6/3
صنایع
8/9
6/16
8/14
9/19
2/0
3/0
4/3
حمل و نقل
4/63
9/41
5/26
1/37
9/98
7/96
9/77
کشاورزی
9/4
1/8
6/2
4/1
2/0
2/2
3/8
نیروگاه ها
8/12
0/23
2/26
3/29
*
3/0
9/5
جمع
0/100
0/100
0/100
0/100
0/100
0/100
0/100
*رقم ناچیز می باشد .
در جدول (2-6) میزان انتشار گازهای آلاینده و گلخانه ای از کل بخش انرژی هیدروکربوری کشور طی دوره 85-1346 و در مقاطع 5 ساله درج شده است . نمودارهای (2-4) و (2-5) نیز بیانگر روند تغییرات انتشار گازهای فوق در کل بخش انرژی کشور می باشند .
جدول 2-6 : مقدار انتشار گازهای آلاینده و گلخانه ای از کل بخش انرژی هیدروکربوری کشور طی سال های 85-1346 برحسب تن]4[
سال / گاز
〖NO〗_X
〖SO〗_2
〖CO〗_2
〖SO〗_3
CO
CH
SPM
1346
63994
108756
16079158
1442
296064
80395
20399
1350
99733
168474
24772304
2242
485940
129179
31521
1360
306754
482279
31894388
6411
1527543
399661
95103
1370
629904
850443
170110277
11974
3092375
807221
192243
1380
994424
1174945
302315645
15653
5989137
1417623
272013
1385
1346571
837767
421044699
10034
9619466
2157196
351091
شکل 2-4 : روند تغییر انتشار گازهای آلاینده و گلخانه ای از کل بخش های مصرف کننده انرژی هیدروکربوری کشور( به علت حجم اندک گاز 〖SO〗_3 در مقایسه با سایر گازها در نمودار نشان داده نشده است)]4[
بررسی میزان آلاینده های هوا در بخش صنعت
در این بخش 4/5853 میلیون لیتر نفت کوره ، 1/2979 میلیون لیتر گازوئیل ، 9/37 میلیون لیتر بنزین ، 7/61 میلیون لیتر نفت سفید ، 6/384 میلیون لیتر گاز مایع و 9/17005 میلیون متر مکعب گاز طبیعی در سال 1385 به مصرف رسیده است . نمودار (2-5) روند تغییرات نشر گازهای آلاینده گلخانه ای از بخش صنعت را طی سال های 85-1350 نشان می دهد . همچنین مقدار انتشار گازهای آلاینده و گلخانه ای این بخش به تفکیک نوع سوخت مصرفی در جدول (2-7) برآورد شده است . ]4[
شکل 2-5 : روند تغییرات انتشار گازهای آلاینده و گلخانه ای از بخش صنعت ( به علت حجم اندک گاز 〖SO〗_3 در مقایسه با سایر گازها در نمودار نشان داده نشده است)]4[
جدول 2-7 : انتشار گازهای آلاینده و گلخانه ای از بخش صنعت به تفکیک نوع سوخت در سال 1385برحسب تن]4[
سوخت / گاز
〖NO〗_X
〖SO〗_2
〖CO〗_2
〖SO〗_3
CO
CH
SPM
نفت کوره
58534
91576
17431425
1399
22
2341
5853
نفت گاز
14896
46772
7888657
596
596
596
4469
نفت سفید
31
148
149006
–
48
–
–
بنزین
512
57
88042
–
13265
2388
49
گاز مایع
427
1
522350
–
283
23
–
گاز طبیعی
58228
119
36273585
–
2313
1003
4898
جمع
132628
138673
62353065
1995
16527
6351
15269
2-2) شاخص های هواشناسی در آلودگی هوا
2-2-1) تعریف اتمسفر
غلظت آلاینده ها در سطح زمین نتیجه خروج ثابت آلاینده ها مطابق با شرایط آب و هوایی علی الخصوص باد می باشد . هواشناسی اساس توزیع آلاینده ها بوده و به عنوان ساده ترین شاخص در تعیین تاثیر رقیق سازی در اتمسفر مطرح می باشد . اتمسفر زمین به عنوان پوششی برای زمین از سرد و گرم شدن بیش از حد آن جلوگیری می نماید ، موجودات زنده را از اشعه سوزان خورشید، اشعه ماوراء بنفش و اشعه کیهانی محافظت می نماید و انتشار صوت را سبب می گردد . با توجه به اینکه هواشناسی علم شناخت اتمسفر است و اتمسفر واسطه ای است که همه آلودگی هوا در آن پخش می شود در واقع هواشناسی آلودگی هوا چگونگی تاثیرگذاری فرایندهای اتمسفری بر سرنوشت آلاینده های هوا را مورد مطالعه قرار می دهد .]14[
لایه های اصلی تشکیل دهنده اتمسفر :
– تروپوسفر (Troposphere)
– استراتوسفر (Stratosphere)
– مزوسفر (Mesosphere)
– ترموسفر (Thermosphere)
شکل 2-6 : شمایی از لایه های اصلی تشکیل دهنده اتمسفر
با توجه به آنکه پخش و انتشار آلاینده ها در لایه تروپوسفر رخ می دهد آشنایی با این لایه دارای اهمیت می باشد. ویژگی های تروپوسفر عبارتند از :
– پائین ترین لایه اتمسفر
– در برگیرنده حدود سه چهارم جرم اتمسفر
– در برگیرنده تقریبا تمام آب (بخار، ابرو بارش)
– همه آلودگی ها در آن منتشر می شوند.
میانگین عمق تروپوسفر حدود 5/16 کیلومتر در بالای خط استوا و حدود 5/8 کیلومتر در بالای قطب ها می باشد . همچنین تغییرات فصلی موجب ضخیم تر شدن آن در تابستان ها نسبت به زمستان ها می شود (به دلیل افزایش دما).]14[
2-2-2) شاخص های موثر بر آلودگی هوا
پخش آلایند ها تابعی از موقیعت جغرافیایی و شرایط جوی است. در برخی نقاط شرایط جوی باعث پخش و کاهش آلودگی می گردد و در برخی موارد شرایط جوی حتی باعث افزایش آلودگی نیز می شود .
2-2-2-1) جریان هوا
حرکت عمودی هوا را "جریان هوا" می نمایند. جریان های هوا نقش موثرتری از باد در کاهش آلودگی دارند. زیرا آلودگی را از سطح زمین (محل زندگی) دور می نماید. در طبقات فوقانی جو بادها شدیدتر هستند و اگر هوای آلوده به آنجا برسد سریع تر رقیق می گردند. در مناطق کم فشار جریان عمودی رو به بالای هوا بیشتر است. در نتیجه هوا در این مناطق تمیز تر خواهد بود اما در مناطق پرفشار جریان عمودی رو پایین هوا بیشتر است در نتیجه هوای آلوده در اتمسفر به خوبی پخش نشده و آلودگی مدام افزایش می یابد .
2-2-2-2) باد
باد عبارتست از حرکت افقی هوا، در مقیاس بزرگ این حرکت در توزیع نابرابر دما و فشار اتمسفری در بالای سطح زمین آغاز می شود و به نحو قابل ملاحظه ای با گردش زمین تغییر می یابد ]32[ .
تاثیر باد در پخش آلاینده ها :
– جریان باد باعث پخش و رقیق شدن آلودگی ها در هوا می گردد .
– میزان انتشار و انتقال هوای آلوده به سرعت و قدرت باد بستگی دارد .
– معمولاً بادهایی با سرعت بیش از 30 کیلومتر بر ساعت در انتقال و انتشار آلودگی ها موثر است .
2-2-2-3) بارندگی
بطور کلی بارندگی را به عنوان هر رطوبتی که متراکم شده و به سطح زمین ریزش کند تعریف می کنند.باران، برف و… نقش موثری در شستشوی هوا و انتقال آلودگی از هوا به زمین دارند.]8[
2-2-2-4) فشار هوا
فشار هوا تابع تعداد ملکول ها در یک حجم ثابت و سرعت حرکت آنها است. در یک حجم ثابت گرم شدن هوا فشار آن را افزایش و سرد شدن فشار آن را کاهش می دهد. انقباض مقدار معینی هوا فشار آن را افزایش و انبساط آن فشار را کاهش می دهد. نیرویی که موجب حرکت هوا از نواحی پر فشار به کم فشار می شود نیروی گرادیان فشار20 نامیده می شود.]14[
2-2-2-5) درجه حرارت
دما یکی از عناصر اساسی شناخت هواست. با توجه به دریافت نامنظم انرژی خورشید توسط زمین، دمای هوا در سطح زمین دارای تغییرات زیادی است که این تغییرات به نوبه خود سبب تغییرات دیگری در سایر عناصر هوا می شود. در شرایط طبیعی در لایه تروپوسفر با افزایش ارتفاع بایستی دما کاهش یابد و این کاهش به ازاء هر 100 متر یک درجه سانتیگراد است. این تغییر دما را Lapse Rate می نامند. نرخ کاهش آدیاباتیک خشک تغییر منفی دمائی بسته هوای خشک یا غیراشباع در حال صعود با ارتفاع تحت شرایط آدیاباتیک می باشد. هوای غیراشباع دارای رطوبت نسبی کمتر از 100% می باشد یعنی دمای آن بیشتر از دمای نقطه شبنم است. فرآیند آدیاباتیک تغییری است که در حجم یا فشار بسته هوا رخ می دهد بدون آنکه مبادله گرما بطرف داخل و یا خارج بسته هوا وجود داشته باشد. از آنجا که هوا هدایت کننده ضعیفی نسبت به گرماست و اختلاط بسته هوا با محیط اطرافش به کندی صورت می گیرد تغییرات در فشار جو را آدیاباتیک در نظر می گیرند. تحت این شرایط وقتی بسته هوا به سمت بالا صعود می کند بعلت اینکه فشار در ارتفاعات بالاتر کمتر است منبسط می شود و فشاری به هوای اطرافش وارد می کند و در نتیجه کار انجام می دهد. اما اگر بسته هوا کار انجام دهد و گرمائی دریافت نکند مقدار انرژی درونی آن کاسته می شود و بنابراین دمایش کاهش می یابد (برای بسته ای که به سمت پایین حرکت می نماید حالت عکس وجود دارد) . پس در حالتی که انبساط بسته هوا به صورت آدیاباتیک باشد میزان کاهش دما در حالتی که هوا به حالت غیراشباع باقی بماند معادل 8/9 درجه سانتی گراد در هر کیلومتر خواهد بود. میزان کاهش بی دررو خشک از آن جهت مورد استفاده قرار می گیرد که تغییرات دما با ارتفاع برای هوای غیراشباع تقریباً به آن نزدیک است. میزان کاهش دمای هوای مرطوب با ارتفاع تا وقتی که اشباع نشده باقی بماند، به اندازه کاهش بی دررو خشک است. اما گاهی هوای مرطوب در اثر سرد شدن به حالت اشباع درمی آید. چنانچه بسته هوای اشباع شده به صعود خود ادامه دهد و انبساط یابد میزان کاهش دما با ارتفاع تغییر می نماید. سرد شدن آدیاباتیک هوا باعث تراکم مقداری از بخار آب و تشکیل ابر می گردد. در این موقع گرمای نهان آزاد می شود و سرد شدن هوا در اثر انبساط را تا حدی جبران می کند. در حالت بی دررو میزان کاهش دمای هوای اشباع شده با ارتفاع از میزان کاهش بی دررو خشک با ارتفاع کمتر می شود. کاهش دما با ارتفاع در این حالت کاهش بی دررو اشباع نامیده می شود. میزان کاهش بی دررو اشباع به دما و فشار بستگی دارد. این بستگی از نظر دما به جهت آن است که هوا در دمای بالاتر رطوبت بیشتری را نگاه می دارد و در نتیجه گرمای نهان بیشتری در موقع اشباع آزاد می شود و از میزان سرد شدن هوا با ارتفاع می کاهد. بنابراین نمی توان مقدار واحدی برای میزان کاهش دما با ارتفاع برای هوای اشباع تحت شرایط آدیاباتیک در نظر گرفت. نرخ کاهش دمای آدیاباتیک اشباع در حدود 6/0 درجه سانتیگراد به ازاء 100 متر افزایش ارتفاع می باشد. اگر به ازاء هر 100 متر افزایش ارتفاع دمای هوا بیش از 1 درجه سانتیگراد کاهش پیدا نماید شرایط را سوپر آدیاباتیک می نامند. ]32[
2-2-2-6) پایداری اتمسفری
نرخ کاهش دمای محیطی برای بسته هوای غیراشباع که بطور عمودی در جو حرکت می کند ممکن است بیشتر مساوی و یا کمتر از میزان نرخ کاهش دمای آدیاباتیک خشک و اشباع شده باشد. با مقایسه میان نرخ کاهش دمای محیطی و نرخ کاهش دمای آدیاباتیکی خشک بسته هوا می توان شرایط پایداری جوی که معیاری جهت سنجش قدرت هوا در پراکنده نمودن آلاینده ها می باشد را مورد ارزیابی قرار داد. اگر سرعت کاهش دمای جو برابر با میزان کاهش دما در حالت آدیاباتیک باشد در این صورت توده هوا به موقعیت جدید خود به دمائی که کاملاً برابر دمای محیط اطراف خود است خواهد رسید. در نتیجه فشار،دما و وزن مخصوص آن مانند محیط اطراف خواهد بود و نیروی رانش هم وجود نخواهد داشت. در نتیجه جوی که میزان کاهش دمای آن بی دررو است در یک حالت خنثی می باشد یعنی یک توده هوای جابجا شده نه تمایل به بازگشت به موقعیت اولیه خود دارد و نه در جهتی که جابجا شده به حرکت خود ادامه می دهد .
در صورتی که توده هوا با فرآیند بی دررو در جوی که دارای شیب حرارتی کمتری نسبت به بی دررو است بطرف بالا حرکت نماید، بدین ترتیب بسته هوا از تغییرات دمائی که دارای شیب بی دررو می باشد پیروی می کند ولی وقتی به ارتفاع بالاتر رسید دمای آن کمتر از دمای محیط اطرافش است در حالیکه فشار آن با فشار محیط اطراف برابر خواهد بود. با توجه به رابطه نتیجه گیری می شود که چگالی بسته هوا بیشتر از هوای اطرافش است و لذا تمایل دارد به جای اولیه خود بازگردد. چنین شرایط جوی را پایدار یا زیر آدیاباتیک می نامیم. در جو پایدار مواد آلوده کننده به کندی پراکنده می شوند و تلاطم متوقف می گردد .
زمانی که دمای توده هوا بیشتر از دمای اطرافش باشد و در نتیجه وزن مخصوص کمتری نسبت به اطرافش داشته باشد لذا حرکت آن در جهت بالا ادامه می یابد. چنین شرایط اتمسفری را ناپایدار یا فوق آدیاباتیک می نامیم. زمانی که نرخ کاهش دمای محیط کمتر از نرخ کاهش دمای آدیاباتیک غیراشباع و بیشتر از نرخ کاهش دمای آدیاباتیک اشباع باشد (یعنی جو نسبت به هوای غیراشباع پایدار و نسبت به هوای اشباع ناپایدار می باشد) وضعیت ناپایداری شرطی بوجود می آید. در حالت کلی هواشناسان شرایط پایداری اتمسفری را از طریق درجه حرارت پتانسیل مشخص می نمایند. . ]32[
2-2-2-7) وارونگی دما
حالت نرمال با افزایش ارتفاع در لایه تروپوسفر کاهش دما صورت می گیرد. نرخ این کاهش متغیر می باشد، اما مقدار متوسط آن 5/6 درجه سانتی گراد به ازای 1000 متر می باشد ( نرخ افت نرمال). این بدین معناست که اگر از سطح دریا با یک بالن شروع به بالا رفتن نموده در ارتفاع 1 کیلومتری از سطح دریا می توان انتظار داشت دمای هوای اطراف به اندازه 5/6 درجه سانتی گراد افت پیدا می کند به همین ترتیب با افزایش 1000 متر دیگر دما به همین مقدار کاهش پیدا خواهد کرد. یعنی در ارتفاع 2000 متری دما به اندازه 13 درجه سانتی گراد نسبت به سطح دریا کاهش می یابد. البته بطور تقریبی اظهار می شود که به ازاء هر 100 متر افزایش ارتفاع حدود یک درجه سانتی گراد دمای محیط کاهش می یابد.
این کاهش دما به ازای افزایش ارتفاع مزایای زیادی برای وضعیت هوا داراست از جمله اینکه اجازه اختلاط هوا و پخش آلاینده ها را می دهد به این ترتیب که وجود توده هوا با حرارت بالاتر و چگالی کمتر در طبقات پائین و هوا با حرارت کمتر و چگالتر در ارتفاعات بالا موجب می شود هوای سبک از ارتفاعات پائینی به بالا صعود کرده و آلاینده ها را نیز به همراه خود به طبقات فوقانی ببرد که در نتیجه باعث پخش آلاینده ها و تهویه طبیعی می شود. وارونگی دمائی زمانی روی می دهد که لایه ای از هوای گرم بالای هوای سرد مجاورت زمین قرار گیرد در چنین شرایطی پایداری هوا ایجاد می گردد. یعنی در اتمسفر با افزایش ارتفاع افزایش دما داریم، تنها برای چند صد متر در قسمت بالائی لایه وارونگی مجدداً با افزایش ارتفاع، کاهش دما خواهیم داشت. در چنین شرایطی آلودگی ها در زیر سطح وارونگی محبوس می گردد که میزان اکسیژن هوا بعلت مصرف تدریجی آن کاهش و غلظت آلاینده ها بعلت تولید تدریجی افزایش یافته و هوای منطقه به شدت آلوده می گردد. پس در حالت طبیعی کاهش دما با ارتفاع مشاهده می گردد، یعنی مثبت. حالت وارونگی حالتی است که افزایش دما با افزایش ارتفاع مشاهده می گردد، یعنی منفی. یعنی هوای گرم روی هوای سرد قرار می گیرد، که در این حالت جو به شدت پایدار است. وارونگی دما شاید بدترین حالت پراکندگی قائم آلاینده ها را نشان می دهد، زیرا تلاطم متوقف می شود و حرکات قائم جوی از بین می روند. پایه وارونگی ارتفاعی است که در آن نمایه قائم دما معکوس می شود و آن نقطه تغییر جهت منحنی است. پایه وارونگی ممکن است در سطح زمین قرار بگیرد (وارونگی سطح زمین) و اگر بالای سطح زمین قرار گیرد به آن Elevated or Capping Inversion می گویند. این وارونگی مانند درپوشی برای لایه مرزی جوی عمل کرده و از پخش قائم آلاینده ها جلوگیری می کند.
قله وارونگی جایی است که نرخ کاهش دما مثبت به نرخ کاهش دمای منفی تبدیل می شود و دما با افزایش ارتفاع افت پیدا می کند. شدت وارونگی تفاوت دمای بین قله و پایه است، در حالی که عمق آن تفاوت ارتفاع بین پایه و قله می باشد.
همانگونه که اشاره شد گاهی اوقات در یک ارتفاع مشخص و یا در بخشی از هوا، بجای این که دما با ارتفاع کاهش پیدا کند، افزایش نشان می دهد. این حالت زمانی رخ می دهد که یک لایه هوای گرم روی یک لایه هوای سرد قرار گرفته باشد. دما در لایه سرد با افزایش ارتفاع کاهش نشان می دهد، اما به محض رسیدن به لایه گرمتر بطور ناگهانی افزایش دما مشاهده می شود.
وارونگی دما به دلایل زیر ایجاد می شود:
1- هنگامی که هوای نزدیک سطح زمین خیلی سریعتر از هوای قسمت بالایی سرد می شود، معمولاً هوای مجاور زمین سرد بسرعت گرمای خود را از دست می دهد.
2- هنگامی که یک لایه هوای گرم از روی زمین سرد عبور می کند.
3- تلاطم
4- گرم شدن هوا به علت فرونشینی یا پایین افتادن توده هوا.
2-2-3) حرکات ستون دود
تغییرات نیمرخ دما بشدت بر خواص دود خروجی از دودکش تاثیر می گذارد. بطوریکه در تصاویر صفحات بعد دیده می شود غلظت آلاینده ها در سطح زمین در نتیجه گرادیان عمودی دما بر روی پایداری جو تحت تاثیر قرار می گیرند و تغییر می یابند. عوامل تاثیرگذار بر پخش دود بستگی به موارد زیر دارد:]32[
– باد (فاصله ای که آلاینده طی می کند و منطقه ای را که تحت تاثیر قرار می دهد را کنترل می کند)
– شرایط پایداری اتمسفری (نرخ اختلاط عمودی و رقیق سازی دود را نشان می دهد)
– ارتفاع دودکش : (ارتفاعات بیشتر آلودگی محلی کمتری ایجاد می کنند)
– دمای دود
– سرعت خروجی دودها
1) حرکت حلقوی یا مارپیچ : این حالت در فصول گرم سال با هوای صاف و تابش شدید اشعه خورشید همراه است و زمانی که هوا بسیار متلاطم است. این تلاطم بالا باعث ایجاد جریان های نامنظم وسیعی می شود که می تواند تمامی ستون دود را به سمت زمین بیاورد. این حالت برای زمانی است که گرادیان عمودی دما در حالت فوق بی دررو است.
شکل 2-7 : حرکت حلقوی ستون دود
2) حرکت قیفی : این حالت در هوای ابری و یا شبهائی که باد ملایم می وزد اتفاق می افتد. در این حالت ستون دود بشکل یک قیف درآمده و در مقایسه با حالت مارپیچ دارای پراکندگی آهسته تری می باشد اما فاصله برخوردی ستون دود به زمین بزرگتر از حالت حلقوی است. این حالت برای زمانی است که گرادیان عمودی دما در حالت تحت آدیاباتیک ولی کمتر از حالت ایزوترمال است.
شکل 2-8 : حرکت قیفی ستون دود
3) حرکت بادبزنی : این حالت در شرایط اتمسفری پایدار دیده می شود و پخش دود در حالت افقی انجام می شود نه عمودی، اینورژن هم در بالا و هم در پائین ستون دود وجود دارد. این حالت برای زمانی است که گرادیان عمودی دما مثبت است. اگر در نواحی وارونگی تابشی اتفاق بیافتد توصیه می شود دودکش ها به مقدار کافی بلند باشند.
شکل 2-9 : حرکت بادبزنی ستون دود
4) حرکت دودی : در ابتدا بصورت بادبزنی خود را نشان داده و در نتیجه شکسته شدن وارونگی دمای سطحی زمین حاصل می گردد. اگر وارونگی در مسافت کوتاهی بالای منبع توده به وجود آید و شرایط فوق آدیاباتیک در پایین دودکش حاکم باشد این حالت به وجود می آید در حالت طبیعی در دوره نیم ساعته رفع می شود.
شکل 2-10 : حرکت دودی ستون دود
5) حرکت بالارونده: زمانی که وارونگی در پائین ستون دود وجود داشته باشد در این حالت ستون دود به سمت زمین اختلاط نمی یابد. غالباً این روند صعودی گذرا و ناپایدار است اگر وارونگی اثر ارتفاع دودکش فراتر رود این روند جای خود را به حالت بادبزنی می دهد.
شکل 2-11 :حرکت بالارونده ستون دود
6) حالت محبوس: در شرایطی ظاهر می گردد که ستون دود بین دو وارونگی واقع می شود و فقط می تواند تا ارتفاع محدودی پراکنده گردد و آلاینده ها در فاصله دور به سطح زمین می رسند.
2-3) فلرهاو آلودگی هوا ناشی از آنها
2-3-1) معرفی فلر و نحوه عملکرد آن
لغت فلر برای توصیف یک شعله بی حفاظ (باز) که گازهای مازاد را می سوزاند بکار برده می شود. هدف اصلی یک بخشی بهره برداری ،استخراج نفت می باشد که به طور معمول این نفت همراه با گاز مازاد می باشد. با توجه به مهم بودن میزان تولید در این بخش با افزایش تولید این گاز مازاد نیز بیشتر می شود. فلردهی21 فرایند سوختن و احتراقی است که در آن مواد آلی فرار و گازهای اضافی سوختنی، به صورت کنترل شده سوخته می شوند. در حالت کلی سیستم فلر به دو قسمت تقسیم می شود، یکی سیستم جمع آوری فلر شامل یک ظرف آبگیر22 و دیگری دودکش فلر. در ابتدا مواد سوختنی توسط شبکه ای از لوله ها به منطقه ای دور از محوطه عملیاتی کارخانه هدایت شده، سپس وارد ظرف جمع آوری به منظور میعان و خارج سازی مایعات همراه گاز شده ، بعد از این مرحله گازها برای جلوگیری از برگشت شعله وارد آب بند مایع شده و گاز تخلیه مورد نیاز در این مرحله به آنها تزریق می شود . در مرحله بعدی گازها به دودکش فلر جهت سوزانده شدن فرستاده می شوند. برای گاز رسانی به مشعل و سیستم جرقه زنی که در نوک فلر تعبیه شده است پایلوتی در نوک فلر در نظر گرفته شده است. در بعضی از فلرها برای ایجاد شعله کم دود سیستم تزریق بخار یا هوا روی دودکش تعبیه می شود و همچنین جهت بهینه نمودن فرایند فلر از تجهیزات کنترلی و نظارتی استفاده می شود. در شکل (2-12) نمونه ای از یک فلر و اجزای آن نشان داده شده است]6 و 26[
2-3-2) مهمترین مشکلات در مدیریت فلرها
فلرها حجم بسیار زیادی از گاز را در مدت کوتاهی بسوی اتمسفر رها می سازند . این امر زمینه را برای ایجاد آشفتگی های جوی فراهم می سازد . از طرفی بدلیل عدم وجود زمان کافی در فرآیند احتراق، گازهای نسوخته زیادی از فلر وارد محیط زیست می شود. نامشخص بودن بهره وری فلرها از جمله مهمترین مشکلات می باشد و تحقیقات انجام شده تا بحال، نشان می دهد حجم ترکیبات بالقوه سمی آزاد شده از احتراق ناقص بسیار بیش از حد انتظار است. فلر همچنین در ایجاد مشکلات زیست محیطی مانند نابودی منابع، ایجاد گرمایش جهانی و بارانهای اسیدی نقش قابل توجهی دارد .
علت دود کردن فلرها آن است که فرآیند احتراق در آنها بخوبی انجام نگرفته و یا به عبارت دیگر احتراق ناقص بوده است . چنین فلرهایی مناسب نبوده و در صورت مشاهده دود یا شعله غیرعادی در آنها مراتب حتماً باید گزارش شود . یکی از عوامل ایجاد دود در فلرها ارسال حجم زیاد گاز (بیش از ظرفیت طراحی) به آنها است .
گازهای متنوعی از فرآیند فلر آزاد می شود . اگر احتراق در فلر کامل باشد فقط بخارات آب، دی اکسید کربن و دی اکسید گوگرد به عنوان محصولات احتراق تولید خواهد شد .
شکل 2-12 : اجزای تشکیل دهنده یک فلر مرتفع با عامل اختلاط کننده بخار
اما واقعیت آنست که کنترل احتراق گازها در نوک فلر امکان پذیر نبوده از این رو غیر از ترکیبات مذکور، گازهای دیگری نیز تولید می شود (لازم به ذکر است کنترل احتراق گازها فقط در سطح آزمایشگاهی امکان پذیر است). گازهای دی اکسید گوگرد () و سولفید هیدروژن () عامل اصلی ایجاد بوی نامطبوع در فلرها می باشند . گازی بی رنگ با بوی بد است.] 6 و 26[
2-3-3) انواع فلرها
به طور کل بر اساس ارتفاع دو نوع فلر وجود دارد، یکی فلر مرتفع و دیگر فلر زمینی یا محفظه ای. فلرهای زمینی هنگامی بکار گرفته می شوند که نیاز به مخفی نمودن شعله فلر (به دلایل مختلف) وجود دارد. اما فلرهای مرتفع بدلیل قابلیت جابجایی حجم قابل توجهی از گازها با توجیه فنی و اقتصادی کافی استفاده می شوند. در واحد بهره برداری از فلرهای مرتفع به دو صورت Hot و Cold استفاه می شود، اما خود فلرهای مرتفع چند نوع می باشند که در ادامه مورد بررسی قرار گرفته شده اند.
الف) فلر با عامل اختلاط کننده بخار :
این نوع فلر دارای آتشخان23 با یک نوک بوده و گازهای قابل اشتعال در آن به صورت شعله پیش رو می سوزد. در میان سایر فلرها، این نوع فلر از فراوانی برخوردار بوده و در اکثر پالایشگاهها و صنایع شیمیایی از این نمونه نصب می شود. در این فلر جهت اطمینان از تامین هوای کافی و اختلاط خوب هوا با گازهای سوختنی یک جریان بخار به ناحیه احتراق تزریق می گردد. تزریق بخار موجب افزایش آشفتگی برای اختلاط بهتر و وارد کردن هوا به شعله می گردد.
اختلاط خوب موجب کاهش تولید دود می گردد. بخار مانند کاتالیست عمل کرده و دمای ناحیه احتراق را بواسطه رقیق کردن و ایجاد آشفتگی پائین می آورد. همچنین تزریق بخار موجب می گردد عمل اکسیداسیون زمان بیشتری طول بکشد و تجزیه مواد هیدروکربنی حداقل گردد. در شکل (2-12) نمونه ای از این فلرها نشان داده شده است .
ب) فلر با عامل اختلاط کننده هوا
در این نوع فلر از جریان هوا برای تامین هوای موردنیاز و نیز عامل اختلاط استفاده می شود. آتشخان این نوع فلر به شکل تار عنکبوت با روزنه های کوچک است که در قسمت داخلی و بالای یک لوله فولادی قرار می گیرد. حداقل قطر لازم برای این لوله فولادی دو فوت است. هوا از انتهای لوله توسط یک دمنده تامین می گردد و میزان هوا توسط سرعت دمنده تنظیم می شود. مهمترین مزیت این فلر، عدم نیاز به بخار در مکانهایی است که بخار در دسترس نیست.از عیوب اصلی این نوع فلر این است که برای حجم زیاد گاز، مقرون به صرفه نمی باشد. در شکل (2-13) نمونه ای از این فلرها نشان داده شده است .
شکل 2-13 : فلر با عامل اختلاط کننده هوا
ج) فلر با عامل اختلاط کننده فشار :
در این فلر از فشار جریان گازهای سوختنی بعنوان عامل اختلاط کننده در نوک آتشخان استفاده می گردد. در صورتیکه فشار گاز سوختنی بیش از 10 تا 15 پوند بر اینچ مربع باشد، این نوع فلر بر فلرهای قبلی ارجحیت دارد. معمولاً آتشخان این نوع فلر در نزدیکی سطح زمین قرار می گیرد و باید در ناحیه ای دور از تاسیسات نصب شود. این فلرها معمولاً در جائیکه فضای زیادی در دسترس باشد قرار داده می شود. این فلرها دارای چندین سر آتشخان هستند که بسته به مقدار گاز سوختنی مورد استفاده قرار می گیرند. در شکل (2-14) نمونه ای از این فلرها نشان داده شده است.
شکل 2-14 : فلر با عامل اختلاط کننده فشار
د) فلر بدون عامل اختلاط :
همچنانکه از نام این فلر مشخص است ، عامل اختلاط کننده هوا و سوخت در آن استفاده نمی شود. استفاده این فلر برای گازهایی است که آنتالپی کمی دارند و نسبت کربن به هیدروژن آنها کوچک باشد. این گازها به آسانی و بدون دود می سوزند و برای احتراق کامل نیاز به هوای کمی دارند. همچنین دمای حاصل از احتراق آنها پائین و واکنش های کراکینگ در آنها حداقل است. فلرهای استفاده شده در بخش بهره برداری معمولاً از این نوع می باشند. در شکل (2-15 ) شمایی از فلر بدون عامل اختلاط نشان داده شده است. ]6[
شکل 2-15 : فلر بدون عامل اختلاط
2-3-4) آلاینده های هوا در بخش بهره برداری نفت و گاز غرب ( مطالعه موردی )
در شرکت بهره برداری نفت و گاز غرب می توان مهم ترین منابع تولید آلاینده در بخش هوا را چنین برشمرد :
1) انتشارآلاینده های حاصل از فرآیندهای احتراقی و فلرهای منطقه عملیاتی : احتراق در ژنراتورها، پمپ ها، مشعل ها، وسایل نقلیه مورد استفاده در واحدها و سایر تجهیزاتی که عمل احتراق در آن ها روی می دهد.
2) آلاینده های ناشی از تبخیر و ورود گازهای فرّار به محیط : مانند انتشار از شیرهای نیوماتیک و شیرهای اطمینان و خطوط انتقال.
3) در بخش هوا، سهم فلر در انتشار گازهای آلاینده هوا و نیز گازهای گلخانه ای بسیار بیشتر از تجهیزات احتراقی می باشد.
در مجموع به ازای تولید روزانه 161000 بشکه نفت خام، 7 میلیون مترمکعب گاز و 8158 بشکه گاز مایع، 13070 تن گاز گلخانه ای، حدوداً 24 تن مونواکسیدکربن، بیش از 5 تن اکسیدهای نیتروژن، 1 تن دی اکسیدگوگرد، و تقریباً 40 کیلوگرم سولفید هیدروژن از شرکت بهره برداری نفت و گاز غرب، منتشر می شود. به عبارتی به ازای تولید روزانه 1035470 گیگاژول انرژی، بیش از 13 هزار تن گاز گلخانه ای و بیش از 6 تن گاز آلاینده هوا از شرکت بهره برداری نفت و گاز غرب، منتشر می شود .
تحلیل وضعیت انتشار آلاینده های هوا
همانطور که در نمودار جریان زیست محیطی شرکت بهره برداری نفت و گاز غرب نشان داده شد، از عمده ترین منابع تولید آلاینده در بخش هوا می توان به فلرها و تجهیزات احتراقی اشاره کرد . در ادامه نتایج حاصل از میزان گاز سوزانده شده در فلرهای منطقه و تجهیزات ارائه شده است . شکل (2-16) میزان گاز سوزانده شده در فلر را با مقادیر سوخت تجهیزات احتراقی شرکت بهره برداری نفت و گاز غرب مقایسه می کند. همانطور که در شکل (2-16) مشاهده می شود میزان گاز سوزانده شده در فلر بیش از 24 برابر سوخت مصرفی توسط تجهیزات احتراقی می باشد .
شکل 2-16 : میزان گاز سوزانده شده در فلر و سوخت تجهیزات احتراقی شرکت بهره برداری نفت و گازغرب
برای بررسی وضعیت انتشار آلاینده های هوا از فلرهای از ضرایب انتشار استفاده شده است . در شکل (2-17) میزان انتشار آلاینده های هوا از فلرهای شرکت بهره برداری نفت و گاز غرب نشان داده شده است .
مطابق شکل (2-17) مونواکسیدکربن بیشترین آلاینده منتشر شده از فلرهای شرکت بهره برداری نفت و گاز غرب می باشد. ضمناً بر اساس ضرایب انتشار، گاز دی اکسیدگوگرد از فلر منتشر نمی گردد که با واقعیت امر مغایرت دارد .
شکل 2-17 : میزان انتشار آلاینده های هوا از فلرهای شرکت بهره برداری نفت و گاز غرب
شکل (2-18) میزان انتشار آلاینده های هوا از فلر و تجهیزات احتراقی شرکت بهره برداری نفت و گاز غرب را نشان می دهد. مطابق شکل (2-18) میزان انتشار مونواکسیدکربن و اکسیدهای نیتروژن از فلر بسیار بیشتر از تجهیزات احتراقی می باشد. این امر ضرورت توجه بیشتر به میزان گاز سوزانده شده در فلر و نحوه سوزانده شدن گازهای ورودی به فلر (اطمینان از انجام احتراق کامل در فلر) را نشان می دهد. تنها آلاینده ای که میزان انتشار آن از تجهیزات احتراقی بیشتر از فلر می باشد، دی اکسیدگوگرد است . بر این اساس فلرهای شرکت بهره برداری نفت و گاز غرب در اولویت بهینه سازی مصرف انرژی از نظر نحوه کارکرد و از جنبه زیست محیطی قرار می گیرند .
شکل 2-18 : میزان انتشار آلاینده هوا از فلر و تجهیزات احتراقی شرکت بهره برداری نفت و گاز غرب
2-4) نتیجه گیری
در این فصل به بررسی مختصری از آلاینده ها و منابع تولید آنها و همچنین تاثیر شاخص های هواشناسی بر نحوه پخش و پراکنش آلاینده ها پرداخته شده است. با توجه به اینکه شناخت و بررسی آلاینده ها نیازمند داشتن دید کلی نسبت به آلاینده ها و منابع تولید آنها می باشد در ابتدا نگاهی کلی به منابع تولید آلاینده در جهان و کشور داشته که بخش بهره برداری صنعت نفت بخش مهمی از این منابع را در بر می گیرد ، از اینرو فلرها که یکی از منابع تولید آلاینده های محیط زیست در این صنعت هستند مورد مطالعه و بررسی قرار گرفتند . امروزه در کشور ما الگو سازی پخش آلاینده های ناشی از فلر ها از این نظر مطرح می باشند که ضرایب انتشار استفاده شده برای فلرها باید بر اساس کتاب های مرجع منطبق بر متوسط انتشار از فلر در آمریکا باشند اما با توجه به بررسی های صورت گرفته در پایلوت ها ، تفاوت هایی بین مقادیر اندازه گیری شده و محاسبه شده به کمک ضرایب انتشار مشاهده می گردد که ضرورت بازنگری در این ضرایب را نشان می دهد . از اینرو با توجه به مشکلات عدیده ای که برای اندازه گیری این آلاینده ها به صورت پایلوتی می باشد نیاز به الگوسازی بسیار قابل توجه می باشد .
3) فصل سوم :تعیین معادلات حاکم بر پخش گازهای آلاینده در جو
3-1) مقدمه
مسائل مربوط به آلودگی هوا را می توان از دیدگاه های مختلفی بررسی کرد. این دیدگاه ها به طور عمده به 2 گروه تقسیم می شوند. دیدگاه اولرین و دیدگاه لاگرانژین. تفاوت عمده و مهم این 2 دیدگاه در این است که در سیستم اولرین دستگاه مختصات نسبت به جابجایی های توده ها ثابت است حال آنکه در سیستم لاگرانژین، دستگاه مختصات به همراه توده های موجود در جو حرکت می کند. در این رساله سیستم اولرین مورد استفاده قرار گرفته است. معادلات لازم برای تعیین مشخصات جریان سیال، معادلات بقای جرم و اندازه حرکت میباشند. این معادلات برای هوا، گازهای منفرد، ذرات جزء هوایی همراه با معادله انرژی ترمودینامیک معادلات بنیادین در الگو های جوی هستند. در این فصل در ابتدا معادلات حاکم بر مسئله بصورت کلی بیان شده است و سپس این معادلات در قالب عددی به روش حجم محدود آورده شده است.]7[
3-2) معادلات بقای جرم حاکم بر پدیده های جوی
معادلات بقای جرم برای الگوسازی تغییرات غلظت یا نرخ اختلاط یک متغییر در طول زمان و در نظر گرفتن جابجایی، منابع خارجی و ورودی های خارجی متغییر استفاده می شود.اگر یک جزء حجمی ساکنی با ابعاد در در را که در آن سیال در حال جریان است به صورت زیر در نظر گرفته شود، با بستن یک موازنه جرم برای جزء فوق می توان نوشت :
(3-1) سرعت ورود جرم = سرعت خروج جرم + سرعت تجمع جرم
شکل 3-1 : جریان در جهت از درون یک جزء حجمی ساکن
سرعت ورود به درون این جزء در جهت برابر است با حاصلضرب چگالی، مساحت و سرعت در محل که برابر است با:. سرعت خروج جرم از این جزء در جهت نیز توسط عبارت بیان می شود. عبارت مشابهی در جهات و نوشته می شود. سرعت تجمع جرم در داخل جزء برابر است با . با قرار دادن این عبارات در موازنه جرم می توان نوشت :
(3-2)
با مرتب کردن معادله و تقسیم آن بر عبارت زیر نتیجه می شود:
(3-3)
با میل دادن ابعاد به طرف صفر، می توان حد معادله فوق را به صورت زیر نوشت:
(3-4)
معادله (3-4) معادله پیوستگی برای هر سیال در مختصات دکارتی است. از آنجا که در این رساله بررسی انتقال جرم در هوا صورت گرفته ، چگالی هوا به خاطر تغییر اندک و کاهش محاسبات ثابت در نظر گرفته شده است. در نتیجه با فرض شرایط تراکم ناپذیر برای هوا معادله (3-4) به (3-5) تبدیل می شود :
(3-5)
3-3) معادله بقای اندازه حرکت حاکم بر پدیده های جوی
با در نظر گرفتن یک حجم کنترل به ابعاد ،، به طوری که در شکل (3-2) نشان داده شده است، برای جزء مذکور می توان یک موازنه اندازه حرکت به صورت زیر نوشت :
"سرعت ورود اندازه حرکت به داخل جزء – سرعت خروج اندازه حرکت از جزء +"
" سرعت تجمع اندازه حرکت در جزء =مجموعه نیروهای عمل کننده ی خارجی بر روی جزء" (3-6)
بنابر قانون نیوتن، معادله (3-6) در هر یک از جهات، و به صورت زیر نوشته شده است. شکل(3-2) تنشهای برشی اعمال شده بر روی جزئی را که به عنوان سیستم مسئله انتخاب شده است، نشان می دهد. تنشهای برشی به مولفه اندازه حرکت مربوط می شوند و نمایانگر چگونگی انتقال اندازه حرکت در جهت در داخل جزء اند. اندازه حرکت از طریق همرفت و انتقال مولکولی وارد جزء شده و از آن خارج می شود. جریان همرفت اندازه حرکت به علت جریان توده ای سیال است و انتقال مولکولی ناشی از وجود گرادیانهای سرعت است.
شکل 3-2 : یک جزء حجمی و تنشهای وارد بر آن و انتقال مولفه اندازه حرکت در جهت
سرعت ورود اندازه حرکت در جهت به درون جزء برابر است با حاصلضرب جریان جرمی (چگالی مساحت سرعت) و سرعت در جهت، به عبارت دیگر. به طور مشابه سرعت ورود مولفه اندازه حرکت در جهت برابر است با و برای سطح برابر است. سرعت خروج اندازه حرکت از جزء در برابر است با و عبارات مشابهی برای سطوح و نیز وجود دارد. به این ترتیب جریان همرفت اندازه حرکت در جهت برای تمامی سطوح تعیین می شود. در نتیجه جریان خروجی منهای ورودی برای اندازه حرکت در جهت برابر است با:
(3-7)
معادله (3-7) بیانگر سرعت جریان خروجی خالص (خروجی- ورودی) اندازه حرکت از جزء حجمی در جهت به وسیله جریان توده ای سیال است.
به علت وجود نیروهای وارد بر سیال گرادیانهای سرعت پدید می آیند. نیروی خروجی در جهت به صورت تنش برشی به سیال انتقال می یابد. نتیجه این تنش، سرعت کرنش است. لایه های سیال که در تماس با صفحات زیرین و زبرین نیستند، در جهت به حرکت درمی آیند. اندازه حرکت حاصل از مولفه نیرو در سیال به وسیله پدیده های مولکولی ناشی از وجود گرانروی مطلق می باشد. بنابراین اندازه حرکت (در جهت عمود بر جهت باد) به وسیله پدیده های مولکولی منتقل می شود. نیروهای حاصل از گرانروی به وسیله تنشهای سطحی مشخص می شود.
حال با توجه به شکل(3-2) سرعت ورود اندازه حرکت در جهت به داخل جزء در اثر انتقال مولکولی برابر است با. سرعت ورود اندازه حرکت در جهت که در وارد جزء می شود برابر است با. سرعت ورود اندازه حرکت در جهت که در از جزء خارج می شود برابر است با. عبارات مشابهی برای دیگر سطوح نوشته می شود. مقدار خالص سرعت خروجی اندازه حرکت در جهت از جزء در اثر پدیده انتقال مولکولی برابر است با:
(3-8)
نیروهای اعمال شده بر جزء سیال می تواند ناشی از پدیده های متفاوتی باشد، اما در پدیده های جوی معمولاً تنها نیروهای فشار و گرانش مورد بررسی قرار می گیرند. این پدیده ها در جهت عبارت اند از:
(3-9)
قابل توجه است که فشار یک کمیت عددی است، در حالی که شتاب گرانش یک کمیت برداری بوده که مولفه آن در جهت است.
سرعت تجمع اندازه حرکت در داخل جزء در جهت برابر است با:
(3-10)
با قرار دادن عبارات (3-7) تا (3-10) در معادله (3-6) و تقسیم آن بر و گرفتن حد هنگامی که، و به طرف صفر میل می کنند، می توان نوشت:
(3-11)
معادله (3-11) مولفه معادله حرکت است. با مشتق گیری نشان داده شده، استفاده از رابطه پیوستگی و مرتب کردن رابطه می توان نوشت:
(3-12)
هر کدام از عبارات معادله فوق را می توان از نظر فیزیکی به شکل زیر تفسیر کرد:
سمت چپ نمایانگر حاصلضرب جرم واحد حجم در شتاب است.
عبارت فشار نمایانگر نیروی حاصل از فشار اعمال شده بر واحد حجم جزء است.
عبارات تنش برشی بیانگر نیروهای گرانروی اعمال شده بر واحد حجم جزء است.
عبارات نیروی گرانشی بیانگر نیروی گرانش اعمال شده بر واحد حجم جزء است.
بنابراین اصولاً معادله (3-12) به شکل حاصلضرب جرم در شتاب است که برابر مجموع نیروها در واحد حجم است. عبارات مشابهی درجهات و نیز بسط داده شده است.
تنشهای برشی به سرعت کرنشها مربوط می شود. برای سیالات نیوتنی که خواص فیزیکی، چگالی و گرانروی آنها ثابت است می توان نوشت:
(3-13)
(3-14)
(3-15)
(3-16)
(3-17)
(3-18)
از ترکیب این روابط با معادله (3-12) خواهیم داشت:
(3-19)
(3-20)
(3-21)
μ:گرانروی مطلق یا دینامیکی سیال
مجموعه معادله (3-19) تا (3-21) را معادلات ناویر- استوکس می نامند.]7 و 21[
3-4) معادله بقای انرژی گرمایی حاکم بر پدیده های جوی
با در نظر گرفتن یک حجم کنترل دلخواه می توان معادله انرژی را به دست آورد.
شکل 3-3 : جزء حجمی برای تعیین معادله انرژی گرمایی
با توجه به شکل(3-3) جزء حجمی ساکنی که در آن سیال جریان دارد، در نظر گرفته شده است. موازنه انرژی برای این جزء حجمی به صورت زیر است:
(3-22)
معادله (3-22) قانون اول ترمودینامیک برای سیستمی است که امکان دارد در حالت پایا یا ناپایا باشد.
معادله (3-23) بیانگر دو عبارت همرفت است؛ یکی سرعت ورود انرژی داخلی و دیگری سرعت خروج آن است. سرعت خالص انرژی داخلی که در جهت وارد جزء حجمی می شود (ورودی منهای خروجی) برابر است با:
(3-23)
که انرژی داخلی جزء سیال در واحد وزن آن است.
سرعت تجمع انرژی داخلی در داخل جزء برابر است با :
(3-24)
کار انجام شده توسط سیال در داخل جزء حجمی چندین عبارت را دربرگرفته است.کار انجام شده در مقابل نیروهای فشاری ایستا به کار جریان معروف است. همانطور که می دانیم کار برابر است با فاصله ضربدر نیرو و سرعت کار انجام شده برابر است با نیرو ضربدر سرعت، لذا برای کار جریان در جهت خواهیم داشت :
(3-25)
جمله ای دیگر از کار که در اینجا در نظر گرفته شده است، کاری است که توسط نیروهای گرانروی صورت می گیرد. برای جزء حجمی سرعت انجام کار توسط نیروهای گرانروی (شامل جهات و) عبارت اند از:
(3-26)
عبارات ارائه شده همراه با فرمول بندیهای مربوط به جهات و را ترکیب می کنیم و در معادله (3-22) قرار می دهیم. با تقسیم رابطه بر حجم کنترل و گرفتن حد میل کردن حجم کنترل به سمت صفر داریم:
(3-27)
در معادله (3-28)، با انجام مشتق گیری از گروه اول عبارات موجود در پرانتز سمت راست خواهیم داشت:
(3-28)
از معادله پیوستگی (3-4) مشاهده می شود که سمت راست معادله (3-28) به صورت زیر تبدیل می شود:
(3-29)
به علاوه با فرض سیالات تراکم ناپذیر (چگالی ثابت) داریم:
مجدداً برای معادله (3-27) جمله ای که بیانگر کار انجام شده توسط نیروهای فشار است بسط داده می شود تا معادله زیر به دست آید :
(3-30)
و مجدداً برای چگالی ثابت از معادله پیوستگی داریم :
با قرار دادن رابطه ساده کننده فوق در معادله (3-27) می توان نوشت :
(3-31)
از ترکیب عبارت انرژی داخلی و فشار در سمت راست معادله (3-31) خواهیم داشت :
(3-32)
به فرض اینکه فشار نسبت به زمان تغییری نکند، بنابراین :
(3-33)
و بنابراین هر یک از مشتقها در معادله (3-31) شامل می شود. با تعریف آنتالپی به صورت:
(3-34)
با ساده کردن معادله (3-31) خواهیم داشت :
(3-35)
در یک فرایند فشار ثابت آنتالپی به صورت زیر یه دست می آید:
(3-36)
برای تنشهای برشی، با فرض اینکه سیالات نیوتنی خواص فیزیکی ثابتی دارند ،از روابط (3-13) تا (3-18) استفاده شده است. هنگامی که روابط فوق برای آنتالپی، گرمای رسانده شده و تنشهای برشی در معادله (3-35) به کار گرفته شوند، معادله انرژی برای سیالات نیوتنی با چگالی و گرانروی ثابت، به صورت زیر خواهد بود:
(3-37)
عبارات نشان داده شده در کروشه ها نمایانگر اتلاف انرژی توسط نیروی گرانروی اند. این عبارات نشان دهنده افزایش برگشت ناپذیر انرژی داخلی (در واحد حجم) به علت پدیده های گرانروی اند. بنابراین معادله (3-37) (برمبنای واحد حجم) بیان می کند که دمای سیال هوای در حال حرکت به علت اتلاف انرژی توسط نیروی گرانروی و پدیده های انبساط تغییر می کند. اتلاف انرژی توسط نیروی گرانروی معمولاً تاثیر ناچیزی بر دمای سیال دارد و به طور کلی ناچیز است، مگر برای سیالات گرانرو و یا در مسائلی که سرعتها نزدیک سرعت صوت است. ]7 و 21[
3-5) روند انتقال
روند انتقال در فضای جو که اغلب تغییرات در دو جهت یا هر سه جهت را دربرمی گیرند، اغلب با معادله پخش24 و انتقال25 الگو می شوند. هرکدام از این دو روند تاثیر جداگانه ای در روند کلی تغییرات غلظت آلاینده ها در جو را دارا هستند. فاکتور انتقال عبارتست از جابجایی حجم یا جرم معین از مواد توسط تغییرات سرعت هوا در منطقه مورد مطالعه که بایستی به کمک الگو دینامیک سیالات جریان بدست آید. در پخش، آلاینده ها به علت تفاوت درغلظت بین دو نقطه انتقال می یابند. این تغییر غلظت با خود ضریبی بنام ضریب پخش دارد که تاثیر زیادی در مقدار پخش دارد. بطور کلی دو پدیده انتقال و پخش با هم باعث انتقال آلاینده ها در فضای جو می شوند. انتقال آلاینده ها براساس معادله پیوستگی می باشد. یعنی:
(3-38) چشمه ها/ چاه ها± خروجی جریان -ورودی جریان =تجمع جرم
اگر یک حجم کنترل از سیال به صورت زیر در نظر گرفته شود می توان نوشت :
شکل 3-4 : تغییرات جرم در یک جزء حجمی سیال
(3-39)
(3-40)
(3-41)
اگر از ، ، و به علت کم بودن تغییرات چگالی صرفنظر شود آنگاه:
(3-42)
که در آن
: چگالی سیال
: چشمه و چاه ها
: غلظت آلاینده ها
می باشد. در واقع هر یک از پارامترهای c,u,v,w را بایستی مجموعی از مقادیر متوسط و نوسانات به حساب آورد به عبارتی دیگر:
(3-43)
(3-44)
(3-45)
(3-46)
اگر این مقادیر را در معادله اصلی جایگزین کنیم آنگاه:
(3-47)
از آنجا که بایستی تمام این نوسانات در طول دوره از بین برود بنابراین می توان نوشت :
(3-48)
و با تاثیر دادن آن در معادله فوق:
(3-49)
با توجه به خواص سیال که در بالا ذکر شد:
(3-50)
بنابراین:
(3-51)
در این معادله ترم اول مربوط به تغییرات غلظت در زمان و سه عبارت بعدی مربوط به انتقال و سه عبارت آخر مربوط به پخش می شود. سرعتهای متوسط و نوسانات سرعت یا سرعت های آشفته می باشند. بر طبق قانون فیک26 انتقال آشفته جرم بدلیل پخش متناسب با گرادیان غلظت می باشد:
(3-52)
(3-53)
(3-54)
که در آن:
: نوسانات غلظت
D: ضریب پخش جرم آشفته
می باشند. با جایگزین کردن این معادلات در معادله فوق خواهیم داشت:
(3-55)
در این معادله مقادیر و و بایستی مشخص باشند. این عناصر بایستی هم پخش مولکولی و هم پخش موثر را در خود در نظر بگیرند. مقادیر این ضرایب در جدول (3-1) آمده است.معادله فوق در واقع همان معادله انتقال آلاینده درفضای جو در سه بعد می باشد. از آنجا که درفضای جو و در مقیاس های بزرگ الگوی سه بعدی پدیده ها نیاز به زمان و حجم محاسباتی بالایی دارد از اینرو انجام این الگوسازی در دو بعد صورت گرفته است.
جدول 3-1 :مقادیر ضرایب پخش جرم آشفته ]21[
بارانی
ابری
خوب
سرعت باد ( m/s)
D_z
D_y
D_x
D_z
D_y
D_x
D_z
D_y
D_x
250
800
10
200
900
10
300
900
10
2-0
150
600
10
100
800
10
200
800
10
3-2
50
400
10
50
700
10
100
700
10
3<
3-6) جمله آشفتگی
با توجه به اینکه جریان های فضای جوی به طور طبیعی بیشتر جریان های آشفته می باشند، در الگو سازی جریانهای آشفته افزون بر معادلات پیوستگی، بقای اندازه حرکت و انرژی باید معادلات لازم برای الگوسازی عبارات تنش رینولدز نیز وارد محاسبات شوند. مشخصه اصلی جریان آشفته ، نوسانی بدون میدان سرعت آن می باشد. این نوسانات سرعت باعث به هم ریخته شدن کمیت های انتقالی مثل بقای اندازه حرکت، انرژی و غلظت (در ترکیبات شیمیایی) می شود ودر نتیجه این کمیت های انتقالی نیز مثل سرعت به صورت نوسانی درمی آیند، چون این نوسانات دارای مقیاس های (اندازه های) کوچک و فرکانس های بالا می باشند، لذا الگوسازی آنها به طور مستقیم و با محاسبات کاربردی مهندسی قابل انجام نیست و در عوض باید از میانگین گیری زمانی در معادلات استفاده نمود و سعی کرد این مقیاس های کوچک را از معادلات حذف کرد تا بتوان معادلات اصلاح شده ای داشته باشیم که هزینه کمتری برای حل داشته باشند. اما برای بیان این نوسانات در این معادلات اصلاح شده نیاز به تعریف متغیرهای جدیدی خواهد بود البته می توان این متغیرهای جدید را با شیوه ها و روشهای مختلفی تعیین و سپس محاسبه نمود که به این روشها،الگو های آشفتگی گفته می شود.تاکنون چندین الگو آشفتگی به وجود آمده، ولی هیچ یک از آنها به عنوان یک الگو جامع برای حل تمامی مسائل مرتبط پذیرفته نشده است و توانایی هر کدام از این الگوها، وابسته به نوع و طبیعت میدان جریان الگوسازی شده و دقت مورد انتظار، با یکدیگر متفاوت است. با بررسی شرایط حاکم در این رساله که عبارتند از بالا بودن عدد رینولدز در جریان های جوی ، ناچیز در نظر گرفتن اثر لزجت مولکولی، در نظر گرفتن تاثیر گردش و جریان های گردابه ای بر آشفتگی، الگوی مناسب جهت الگوسازی به دلیل تطبیق با شرایط ذکر شده ،قدرتمندی، اقتصادی بودن محاسبات و داشتن دقت قابل قبول در محدوده وسیع از جریان های آشفته RNG K-ε انتخاب شده است.]30[
الگو RNG K-ε با استفاده از روش های آماری به دست آمده و الگویی دو معادله ای است که معادلات K و ε را همزمان با هم حل می کند. معادله انرژی جنبشی K ، بیانگر مقیاس سرعت و معادله نرخ میرایی انرژی جنبشی ε مقیاس طول است. در حقیقت مقیاس طول، اندازه گردابه های بزرگ دارای انرژی جنبشی را می دهد که باعث انتقال آشفتگی در توده سیال می شود .
معادلات حاکم در این الگو به صورت روابط زیر می باشند:
(3-56)
(3-57)
(3-58)
که ضریب ثابت در معادله بالا 0845/0 است. با توجه به مشاهدات تجربی و در نظر گرفتن معادله تنش رینولدز در جو p/ε برابر 7/1 تعیین شده است.
مقادیر ثابت های موجود در الگو به ترتیب عبارت است از:
3-7) روابط حاکم در قالب تحلیل عددی به روش حجم محدود
روش حجم محدود که روش حجم کنترل نیز نامیده می شود یکی از پرکاربردترین روشهای عددی است که در بسیاری از کدهای محاسباتی و نرم افزارهای تجاری مثل فلوئنت27، استار سی- دی28 و فونیکس29 استفاده می شود. از مهمترین خواص روش حجم محدود، انعطاف پذیری این روش برای شبکه بی سازمان30 و مسایل با هندسه پیچیده است. همچنین عدم نیاز به نگاشت ها و تبدیل مختصات های متداول در روش تفاضل محدود و اطمینان از ارضا قوانین بقا از مزیت های اصلی این روش می باشد. از دیگر قابلیت های این روش حفظ فیزیک مساله در معادلات گسسته سازی شده است. از معایب این روش باید سختی محاسبه مشتق متغیرها در وجوه حجم کنترل ها را نام برد.
ایده اصلی روش حجم محدود به دست آوردن یک دستگاه معادلات جبری برای حجم کنترل ها و سطح کنترل های گسسته سازی شده است. در این روش قوانین بقا به همه متغیرها در سطح کنترل ها اعمال می شود. در نتیجه، هنگامی که مقدار مشخصی از یک متغیر پایستار به خارج از یک حجم کنترل انتقال می یابد، همان مقدار به حجم کنترل های مجاور داخل می شود. در نتیجه تولید یا نابودی مصنوعی متغیرهای پایستار وجود نخواهد داشت.
روش حجم محدود بر پایه فرم انتگرالی معادله بقا می باشد:
(3-59)
متناظر با مولفه سرعت نسبی است و و همان معانی لزجت و جمله منبع را دارند.
اساس روش حجم محدود انتگرال گیری از این معادله می باشد:
(3-60)
با استفاده از قضیه دیورژانس گوس31 می توان معادله (3-59) را به صورت زیر نوشت:
(3-61)
در این روش دامنه حل به وسیله شبکه به تعداد محدودی حجم کنترل کوچک تقسیم می شود. این شبکه برخلاف شبکه روش تفاضل محدود ، که گره های محاسباتی را تشکیل می دهد، مرزهای حجم کنترل را مشخص می کند.
روش معمول، تعیین حجم کنترل ها با یک شبکه مناسب و قراردادن گره های محاسباتی در مرکز حجم کنترل ها است. مزیت این روش اینست که گره ها، مقدار متوسط متغیر را با دقت بالایی (مرتبه دوم) حل می کنند زیرا گره در مرکز حجم کنترل قرار گرفته است.
معادله بقای انتگرالی به هر حجم کنترل و همچنین به تمامی دامنه حل اعمال می شود. اگر معادلات همه حجم کنترل ها با هم جمع شوند، معادله بقای کلی به دست می آید زیرا انتگرال سطح روی وجوه حجم کنترل های داخلی با هم حذف می شوند. برای به دست آوردن یک معادله جبری برای هر حجم کنترل، انتگرال سطح و حجم باید با فرمول کوادراتور32 تخمین زده شوند. برحسب تقریب استفاده شده، این معادلات ممکن است شبیه معادلات حاصل از روش تفاضل محدود بوده یا با آنها متفاوت باشند.]1[
شکل 3-5 : نمونه ی حجم کنترل و نمادگذاری مورد استفاده در حالت کارتزین دو بعدی
3-8) تحلیل مناسب معادلات
در الگوسازی پخش آلاینده ها در هوا برای حل معادلات فیزیکی ( بقای جرم ، بقای اندازه حرکت ، انرژی و … ) از طریق روش حجم محدود دو شیوه حل بر پایه فشار33 و حل بر پایه چگالی34 وجود دارد. با توجه به اینکه در حل بر پایه فشار ، میدان فشار از معادله تصحیح فشار که از اصلاح معادله های بقای اندازه حرکت و بقای جرم حاصل می شود بدست می آید و بطور معمول در جریان های تراکم ناپذیر به کار می رود این حل کننده بعنوان حل کننده مناسب جهت انجام این الگوسازی انتخاب شده است.
روش حل این الگو بدین صورت می باشد که در ابتدا معادلات فشار و بقای اندازه حرکت را بصورت همزمان حل می کند، سپس معادله انرژی و بعد از آن معادلات آشفتگی حل می شود و در نهایت بقیه معادلات انتقال لازم حل می شود. حل بر پایه فشار بصورت همزمان برای بیشتر جریان های تک فازی، کاربردی می باشد. این حل کننده برای جریان های تک فازی اویلری بسیار مناسب می باشد.]30[
از آنجا که جهت تصحیح فشار در این حل کننده الگویی جهت ارتباط سرعت و فشار نیار است به معرفی روش سیمپل که این ارتباط را ارضاء می کند پرداخته شده است . روش سیمپل35 در سال 1972 توسط پتانکار و اسپالدینگ36 ارائه شد. این روش یک الگوریتم حدس و تصحیح برای محاسبه فشار روی شبکه ارائه می دهد.
به طور کلی می توان مراحل حل به روش سیمپل را به صورت زیر خلاصه کرد:
1. حدس
2. حل معادلات ممنتوم و پیدا کردن و
3. محاسبه جمله چشمه در معادله (اگر b = 0 باشد، جواب همگرا شده است)
4. محاسبه
5. تصحیح میدان سرعت با استفاده از
6. تصحیح میدان فشار با استفاده از
7. تکرار مراحل 2 تا 6 همگرایی
که الگوریتم37 آن در شکل (3-6) آمده است.]1[
3-9) اعمال شرایط مرزی در قالب حجم محدود
جریان انواع سیال در هوا به وسیله شرایط مرزی و شرایط اولیه تعریف می شود. تعیین صحیح این شرایط و درک نقش آن ها در الگوریتم حل عددی بسیار مهم است. از اینرو شرایط مرزی حاکم در معادلات گسسته شده روش حجم محدود بصورت زیر می باشد :
– شرط مرزی ورود
– شرط مرزی خروج
– شرط مرزی دیوار
ورودیها و خروجیهای جریان38: مرز ورودی فشار39مرز ورودی جریان حاوی سرعت40، مرز ورودی جریان41، مرز خروجی فشار 42، مرز دامنه فشار43 ( جهت جریان های تراکم پذیر ) و مرز خروجی جریان سیال 44.
مرز دیواره 45
در ادامه توضیحاتی درباره هر کدام از انواع مرزها می آید :
مرز ورودی جریان حاوی سرعت : این شرط مرزی فقط در جریانهای تراکم ناپذیر به کار برده می شود. اگر در مرزهای ورودی جریان، پروفیل سرعت مشخص باشد، از این شرط مرزی استفاده می کنیم. ورودیهای مورد نیاز نرم افزار برای این نوع عبارتست از مولفه های سرعت و دما .
شکل 3-6الگوریتم حل برنامه سیمپل]30[
مرز ورودی فشار : این شرط مرزی را هم در جریانهای تراکم پذیر و هم درجریانهای تراکم ناپذیر می توان به کار برد؛ اگر بر روی مرز ورودی جریان، فشار کل معلوم باشد اما اطلاعاتی از سرعت و یا دبی جرمی نداشته باشیم از این شرط استفاده می کنیم. فشار کل (نسبی)، دمای کل (دمای بخشن) و جهت جریان ورودی، اطلاعات مورد نیاز این نوع مرز است.
مرز ورودی جریان : از این شرط مرزی درجریانهای تراکم پذیر استفاده می شود. اگر دبی جرمی یا توزیع شار جرمی در مرز ورودی مشخص باشد این نوع مرز را می توان به کار برد. اطلاعات مورد نیاز در این نوع مرز عبارتند از: دبی جرمی یا توزیع شار جرمی، دمای بخشن و جهت جریان ورودی.
مرز دامنه فشار ( جهت جریان های تراکم پذیر ) : این نوع شرط مرزی فقط در جریانهای تراکم پذیر و خارجی به کار می رود؛ مرزهایی که این شرط مرزی به آنها اعمال می شود باید به اندازه کافی دور از جسم و در داخل جریان آزاد قرار داشته باشند. عدد ماخ و فشار استاتیک جریان آزاد نیز باید معلوم باشند. دمای جریان آزاد و جهت جریان، اطلاعات دیگر مورد نیاز برای استفاده از این نوع هستند.
مرز خروجی فشار : در مرزهایی که جریان از طریق آنها از حوزه فیزیکی خارج می شوند و فشار استاتیک (نسبی) در خروج معلوم است از این شرط مرزی استفاده می شود. این نوع هم برای جریان تراکم پذیر و هم تراکم ناپذیر به کار می رود. در مواقعی که در محل مرز خروجی، جریان برگشتی وجود داشته باشد، استفاده از این شرط مرزی به جای مرز خروجی جریان سیال موجب تسریع در همگرایی می شود. دمای بخشن جریان برگشتی نیز از اطلاعات مورد نیاز این نوع است.
مرز خروجی جریان سیال : در مرزهای خروجی جریان که هیچ اطلاعاتی از سرعت وفشار جریان خروجی موجود نمی باشد از این نوع شرط مرزی استفاده می کنیم. مرزی که این نوع شرط به آن اعمال می شود بهتر است در مکانی باشد که جریان، در آن مکان را بتوان توسعه یافته در نظر گرفت؛ یعنی گرادیان متغیرهای جریان، بجز فشار در راستای عمود بر سطح مرز را بتوان نزدیک صفر فرض کرد. در استفاده از این شرط مرزی باید به نکات زیر توجه کرد :
1- مرزی که این نوع شرط به آن اعمال می شود باید در مکانی باشد که جریان روی آن کاملا توسعه یافته باشد.
2- در جریانهای تراکم پذیر نمی توان از این نوع مرز استفاده کرد.
3- اگر جریان غیر دائم بوده و چگالی سیال متغیر باشد نیز مرز خروجی جریان سیال را نمی توان استفاده کرد.
4- اگر در مرزهای ورودی جریان، از نوع مرز ورودی فشار استفاده شده باشد، نمی توان نوع مرز خروجی جریان سیال را در مرزهای خروجی جریان به کار برد. به جای آن می توان از نوع مرز خروجی فشار استفاده کرد.
مرز دیواره : برای مشخص کردن مرز یک ناحیه ی سیال یا جامد از این شرط مرزی استفاده می شود. برای جریانهای لزج، شرط "عدم لغزش" به صورت پیش فرض در نظر گرفته می شود.]30[
3-10) توابع تعریف شده توسط کاربر
در مواردی که لازم است مقادیر به صورت تابعی از مکان یا زمان بیان شود ، مانند شرایط مرزی ، خواص مواد و … نرم افزار امکاناتی را فراهم کرده است تا بتوان با نوشتن توابع مربوطه ، آنها را در محل مورد نظر مورد استفاده قرار داد. زبان برنامه نویسی جهت نوشتن توابع ، زبانی مخصوص به خود نرم افزار است که باید با یک شیوه خاص و به کمک توابع مربوطه نوشته شود. این امکانات با نام تابع تعریف شده بوسیله استفاده کننده یا UDF 46 در نرم افزار موجود می باشد.]30[
3-11) داده های هواشناسی ورودی الگو
در میان فاکتورهای اصلی هواشناسی که در پدیده آلودگی هوا تاثیرگذار هستند می توان به موارد زیر اشاره کرد:
* باد افقی (سرعت و جهت): که توسط مولفه باد ژئوستروفیک ایجاد می شود و مانند فشار باد گرادیان بر قسمت بالایی لایه مرزی و بوسیله نیروی اصطکاک زمینی تغییر می کند و تاثیر ناشی از بادهای هواشناسی محلی نظیر نسیم های دریایی، بادهای کوه به دشت و بالعکس و جریانات هوای شهری و روستایی است. ]32[
* پایداری جوی: بعنوان مثال یکی از راه های ساده طبقه بندی وضعیت اختلاط اتمسفری این است که بر نرخ رقیق سازی آلاینده های هوا تاثیر می گذارد.
* ارتفاع بالای سطح زمین
* قدرت وارونگی دمایی بالا برده شده که را محدود می کند.
* حرکت عمودی اتمسفری بواسطه سیستم های کم فشار و پرفشار یا تاثیر عوارض ترکیبی شامل تپه ها و رشته کوهها و ……
3-11-1) تعیین پایداری جو
پایداری اتمسفری را می توان بوسیله چندین روش یا پارامتر به شرح زیر مشخص نمود :
– روش های تجربی (مانند روش پاسکویل و روش تونر که در جداول زیر ارائه شده است)
– عدد جریان ریچاردسون، یعنی نسبت سرعت پراکندگی (یا تولید) نیروی رانش به سرعت ایجاد شده بوسیله نیروی برشی. برای شرایط ناپایدار، برای شرایط خنثی و برای شرایط پایدار می باشد. همچنین مقدار مطلق نشان دهنده اهمیت نسبی جابه جایی (انتقال) به اغتشاش مکانیکی می باشد.
– عدد گرادیان ریچاردسون (وابسته به است اما راحت تر قابل اندازه گیری می باشد).
– طول مونین- ابوخوف، برای شرایط ناپایدار، برای شرایط خنثی و برای شرایط پایدار می باشد.) ]32[
جدول 3-2 :تقسیم بندی طبق بندی های انتشار پاسکویل: A بسیار ناپایدار، B ناپایدار، C ناپایداری خفیف، D خنثی، E پایداری خفیف، F پایدار، G بسیار پایدار]32[
سرعت باد برحسب
5 تا کمتر از 6
3 تا کمتر از 5
2 تا کمتر از 3
کمتر از 2
پوشش ابر
وضعیت تابش
C
B
A-B
A
تابش قوی
روز
C-D
B-C
B
A-B
تابش میانه
D
C
C
B
تابش سبک
D
D
D
D
ابری
روز یا شب
D
D
E
–
ضخامت ابر یا پوشش ابر برابر و بزرگتر از 0.5
شب
D
E
F
–
ضخامت ابر یا پوشش ابر برابر و کمتر از 0.4
جدول 3-3 : تعریف کلاسهای ترنر: 1- بسیار ناپایدار، 2- ناپایدار 3- ناپایداری خفیف، 4- خنثی، 5- پایداری خفیف، 6- پایدار، 7- بسیار پایدار]32[
شاخص شبکه تابش
سرعت باد (نات)
2-
1-
0
1
2
3
4
7
6
4
3
2
1
1
1- 0
7
6
4
3
2
2
1
3- 2
5
5
4
4
3
2
1
5- 4
6
5
4
4
3
2
2
6
5
4
4
4
3
2
2
7
5
4
4
4
3
3
2
9- 8
5
4
4
4
4
3
3
10
4
4
4
4
4
3
3
11
4
4
4
4
4
4
3
12 و بیشتر
جدول 3-4 : تعیین عدد کلاس کیفیت تابش]32[
عدد کلاس کیفیت تابش
کیفیت تابش
زاویه تابش خورشید
4
قوی
°"60<α"
3
میانه
"°35<α<°60"
2
ضعیف
"°15<α<°35"
1
خیلی ضعیف
"°15>α"
تعریف شاخص شبکه تابش:
1- اگر مجموع پوشش ابر برابر 10/10 و ارتفاع آن کمتر از 7000 فوت باشد، شاخص پرتو شبکه است.
2- برای زمان شبانگاهی اگر پوشش ابر کمتر و برابر 10/4 باشد شاخص برابر 2- می باشد و در صورتی که پوشش ابر بزرگتر از 10/4 باشد شاخص برابر 1- است.
3-11-2) تعیین نیمرخ باد و دما
نیمرخ باد رابطه ای میان سرعت های باد در یک ارتفاع با سرعت ارتفاع های دیگر است. نیمرخ باد لایه مرزی جو (این لایه از سطح زمین تا حدود 2000 متر ادامه دارد ) به طور طبیعی با فاصله گرفتن از سطح زمین بصورت لگاریتمی تغییر می کند. هنگامی که در بالای سطح زمینی برش باد قوی باشد، نظریه تشابهی مونین ابوخوف از میان سایر روشها برای تخمین نیمرخ سرعت باد و دما مناسب تر می باشد. نظری تشابهی روشی است که در آن در ابتدا متغییرهای ما تبدیل به گروه های بی بعدی شده، سپس از طریق روشهای تجربی مقادیری به این گروه های بی بعد اختصاص داده می شود. این گروه های بی بعد در مجموع بصورت تابعی از یک پارامتر که بصورت تجربی بدست آمده است در نظر گرفته شده اند. بعد از تکرار آزمایش ها معمولا نتیجه می شود که معادلات بدست آمده از آزمایش های بعدی شبیه به آنهایی است که از اولین آزمایش بدست آمده بنابراین این روش بدست آوردن معادلات تجربی برای گروهه های بی بعد نظریه تشابهی نامیده می شد و روابط حاکم بر این معادلات و گروه ها معادلات تشابهی می باشند. برای بدست آوردن نیمرخ باد و دما از این طریق دانستن برش باد بی بعد، گرادیان دمای پتانسیل بی بعد و شرایط پایداری و ناپایداری جو ضروری می باشد.]21[
برش باد بی بعد :
یکی از روابط تشابهی برش باد بی بعد می باشد که بصورت زیر بیان می شود :
(3-62)
پارامتربه عنوان تابعی از از طریق جایگزین مقادیروبرای مقادیر مختلفبدست می آید. در رابطه بالاZارتفاع برحسبm،سرعت سایش برحسبm/s وسرعت باد در ارتفاع مرجع می باشد وK ثابت Von karaman می باشد که مقدار آن برابر 4/0 می باشد. بر این اساس معادلهبه شکل زیر بیان می شود .
(3-63) (3-
که وقتی4/0 = k می باشد ، 6=β_m و 3/19 =γ_m، L طول مونین ابوخوف می باشد.
با انتگرال گیری از دو طرف معادله بی بعد نتیجه می شود:
(3-64)
طول زبری سطح برای بقای اندازه حرکت است. که از جدول (3-5) بدست می آید.]21[
جدول 3-5 : تعیین براساس پوشش گیاهی]21[
نوع سطح
00001/0
دریای آرام
0015/0- 00015/0
دریای طوفانی
00001/0
سطح یخی
0001/0- 00005/0
سطح برفی
0003/0
سطح بیابان
01/0- 003/0
پوشش گیاهی کوتاه
1/0- 04/0
پوشش گیاهی بلند
4/0
زمین هموار
2/0- 04/0
زمین های کشاورزی
1 – 5/0
باغ میوه
2/2
جنگل های استوایی
8/4
جنگل با پوشش برگی پهن
فراسنج طول مونین ابوخوف :
طول مونین اوبوخوف پارامتری است که پایداری لایه سطحی را مشخص می نماید و از اندازه گیری هایی که در سطح زمین انجام می شود محاسبه می گردد و رابطه آن به صورت زیر است:
(3-65)
که در آنمقیاس دما در لایه اختلاط برحسب کلوین می باشد.]21[
مقدار بی بعد گرادیان دمای پتانسیل :
درجه حرارت پتانسیل عبارتست از درجه حرارت هوای خشکی که تحت شرایط آدیاباتیک از فشار موجودش به فشار استاندارد معادله 1000 میلی بار برسد و رابطه آن بصورت زیر می باشد:
(3-66)
: دمای مطلق برحسب کلوین
: ثابت گازها
: ظرفیت گرمائی ویژه در فشار ثابت
طبق قانون اول ترمودینامیک برای سیستم بسته که تحت تاثیر یک تحول آهسته قرار می گیرد رابطه زیر برقرار است:
(3-67)
: آنتالپی
: دما
: آنتروپی
: فشار
: حجم ویژه
برای یک تحول آدیاباتیک تغییرات آنتروپی صفر می باشد. بنابراین رابطه بالا به شکل زیر ساده می شود:
(3-68)
برای گازهای ایده آل نظیر بسته هوای خشک در اتمسفر معادله حالت را جایگزین رابطه نموده و رابطه زیر به دست می آید:
(3-69)
که در رابطه بالا می باشد و بعد از انتگرال گیری نتیجه زیر به دست می آید:
(3-70)
و در نهایت برحسب رابطه زیر حاصل خواهد شد:
(3-71)
در واقع درجه حرارت پتانسیل میزان دمائی را نشان می دهد که اگر در شرایط آدیاباتیک فشار به 1000 میلی بار برسد می توان درجه حرارت پتانسیل را برحسب نرخ تغییر دمای محیط و نرخ افت هوای آدیاباتیک خشک نشان داد.]32[
برای محاسبه دمای پتانسیل در ارتفاع و می توان از روابط ساده شده زیر استفاده کرد .
(3-72)
(3-73)
: دمای پتانسیل برحسب درجه کلوین
: ارتفاع مرجع برابر m10
: ارتفاع هیدرولیکی برحسب متر
g: شتاب ثقل برابر 81/9
: گرمای ویژه در فشار ثابت برابر 1005
برای محاسبه نرخ کاهش دما از جدول (3-6) استفاده می شود .
با در دست داشتن دما در ارتفاع مرجع و تعیین نرخ کاهش دما براساس شرایط جوی از رابطه (3-74) می توان دما در ارتفاع را بدست آورد .
(3-74)
رابطه تشابهی دیگر بی بعد، گرادیان دمای پتانسیل بی بعد می باشد که به شکل زیر بیان می شود:
(3-75)
در رابطه بالاتغییرات دمای حقیقی پتانسیل با ارتفاع می باشد.
جدول 3-6: نرخ کاهش دما نسبت به ارتفاع با توجه به شرایط پایداری جو]21[
طبقه بندی پایداری
نرخ کاهش دما نسبت به ارتفاع
A
9/1-<
B
7/1- – 9/1-
C
5/1- – 7/1-
D
5/0- – 5/1-
E
5/1- 5/0-
F
4- 5/1
G
4>
برای رژیم های پایداری مختلف در صورت زیر محاسبه می شود:
(3-76)
در این رابطه 4/0 = k می باشد ، 8/7 =β_h و 6/11 =γ_h می باشد.
: عدد پرانتل آشفتگی که نرخ ثابت پخش گردابه ای برای بقای اندازه حرکت به انرژی را بیان می کند برابر 95/0 در نظر گرفته شده است و بصورت زیر بیان می شود:
(3-77)
با انتگرال گیری از دو طرف معادله گرادیان دمای پتانسیل بی بعد معادله زیر نتیجه می شود:
(3-78)
طول زبری هیدرولیکی می باشد که از رابطه زیر بدست می آید:]21[
(3-79)
نیمرخ باد و دما :
نیمرخ باد و دما برحسب ارتفاع بدین صورت می باشد:]21[
(3-80)
(3-81)
و تابعی اثر برای بقای اندازه حرکت و انرژی می باشند که به طریق زیر محاسبه می شوند.
(3-82)
(3-83)
3-12) الگوریتم برنامه
شکل 3-7 : الگوریتم حل نرم افزار انتخاب شده جهت الگوسازی پخش آلاینده ها در فضای جو]30[
3-13) نتیجه گیری
به منظور الگوسازی عددی نحوه پخش آلاینده ها در اطراف فلرها درک رفتار آلایندها در اطراف آنها ضروریست. بر این اساس دراین فصل پدیده های هواشناسی موثر در پخش آلاینده ها و همچنین معادلات حاکم بر جریان به صورت کلی و در قالب عددی بیان شده اند. با توجه به مشخصات جریان و بررسی روش های مختلف جهت انتخاب الگو مناسب آشفتگی ، الگو K-ε RNG به دلیل تطابق با شرایط مطرح شده در این رساله الگوی مناسبی جهت الگوسازی پخش آلاینده ها در جو انتخاب شده است.
4) فصل چهارم: تحلیل و تفسیر نتایج
4-1) مقدمه
در این فصل ابتدا پیرو فصل سوم که شامل توضیحاتی کلی در مورد نحوه الگوسازی با نرم افزار و نحوه ساختن هندسه مسئله است، در جهت تعیین صحت نتایج اندازه گیری شده توسط نرم افزار به صحت سنجی الگو پرداخته شده است، سپس به ذکر مختصری از مشخصات منطقه مورد مطالعه پرداخته و ورودی های مختص الگوسازی در این رساله ارائه شده است و در نهایت خروجی های حاصله از برنامه بررسی و تشریح نتایج صورت گرفته است .
4-2) صحت سنجی الگو
از آنجایی که در این رساله هدف اصلی پیش بینی غلظت آلاینده ها از طریق نرم افزار می باشد. برای تعیین صحت نتایج بدست آمده از الگوسازی پخش آلاینده های فلر از طریق نرم افزار مربوطه مقایسه ای میان میزان غلظت محاسبه شده توسط نرم افزار و میزان غلظت اندازه گیری شده توسط دستگاه انجام شده است . نحوه مقایسه به این صورت است که اندازه گیری های انجام شده میزان غلظت آلاینده ها در فواصل 50 ، 100 و 200 متری در سطح زمین را در ساعت 15 روز 31 تیرماه 88 نشان می دهند و ما نیز با اعمال شرایط منطقه بر طبق آمار روزانه سازمان هواشناسی کشور که به صورت خلاصه برای این روز در جدول (4-1) آمده است ، میزان غلظت بدست آمده از طریق الگو در همان فواصل در سطح زمین محاسبه شده است. مقایسه بین این نتایج برای سه آلاینده منوکسید کربن ، اکسیدهای ازت و دی اکسید گوگرد در شکل های (4-1) ، (4-2) و (4-3) آمده است .
جدول 4-1: مشخصات هواشناسی بدست آمده از ایستگاه سینوپتیک ایلام برای 31/4/88
جهت باد غالب
( درجه )
سرعت باد غالب در ارتفاع مرجع (m/s)
میزان تابش(MM)
میزان پوشش ابر(n)
فشار در سطح ایستگاه
(mbar)
دما
(ok)
تاریخ
270
8/5
2/7
5
4/861
4/305
31/ 4/ 88
محاسبه نیمرخ باد و دما :
با توجه به اینکه برای محاسبه نیمرخ باد و دما بر طبق نظریه تشابهی مونین ابوخوف نیاز به فرض اولیه ای برای تعیین کلاس پایداری با توجه به داده های هواشناسی می باشد. در ابتدا نیاز به چرخه ای از سعی و خطا جهت محاسبه طول مونین ابوخوف، و می باشد. اما با در نظر گرفتن حجم بالای محاسبات برنامه ای جهت محاسبه این مقادیر که پارامترهای اصلی ما برای محاسبه نیمرخ باد و دما می باشند در محیط Visual Basic نوشته شده است، که این برنامه به طور کامل در پیوست آورده شده است.
ورودی های مورد نیاز برای برنامه ذکر شده در بالا و می باشند . مقادیر آنها با توجه به روابط (3-76) و (3-77) برای این روز به قرار زیر می باشد:
θ ̅_v (z_r ) = 5/305 θ ̅_v (z_(0,h) ) 56/305 =
پس از قرار دادن این داده ها در برنامه مقدارL، و محاسبه شده در زیر آورده شده است:
L = 02/2297-
u_* = 22277/0
θ_*= 00168/0-
با توجه به اینکه طول مونین ابوخوف کوچکتر از صفر می باشد در نتیجه می باشد و شرایط جوی ما در این فصل ناپایدار می باشد.
نیمرخ باد :
|(V ) ̅(z)|="556925/0" [Ln(z/"0003/0" )-Ln[(["1+0084/0 z" ]^("1" /"2 " ) ["1+" 〖"(1+0084/0)" 〗^("1" /"4" ) ]^"2" )/"8" ]]+"11385/1 " tan^(-1)〖〖("1+0084/0 z)" 〗^("1" /"4" ) 〗-"8748/0"
شکل 4-1:نمودار بیانگر نیمرخ سرعت باد نسبت به ارتفاع برای 31/4/88 در ساعت 15 می باشد.
نیمرخ دما :
θ ̅(z)="56/305 -0039/0 " [Ln (z/(〖"10 " 〗^(-6 )×"3" ))-"2 Ln" [(〖"1+0526/1(1+00505/0 z)" 〗^("1" /"2" ) " " )/"0526/2" ]]
شکل 4-2 :نمودار بیانگر نیمرخ دما نسبت به ارتفاع برای 31/4/88 در ساعت 15می باشد.
نمودارهای لگاریتمی جهت وضوح بیشتر نیمرخ ها در ارتفاعات پایین تر آورده شده است . این نیمرخ ها به صورت UDF جهت ورودی نرم افزار الگوسازی نوشته شده و به نرم افزار داده می شود که در پیوست آورده شده اند .
شکل 4-3 : نمودار بیانگر میزان غلظت CO محاسبه شده توسط برنامه و اندازه گیری شده در فواصل 50 ، 100 و 200 متری از فلر می باشد.
ازشکل (4-8) نتیجه می شود که 5/5 درصد اختلاف میان غلظت های اندازه گیری شده و بدست آمده از طریق نرم افزار مربوطه وجود دارد . با توجه به اینکه توانایی این نرم افزار در پیش بینی نحوه پخش آلاینده ها ثابت شده است از اینرو گمان می رود که این میزان اختلاف به دلیل وجود خطاهای انسانی هنگام اندازه گیری و کالیبره نبودن دستگاه و یا مغایرت داشتن شرایط جوی در هنگام اندازه گیری با شرایط گزارش شده می باشد . در بعضی موارد نیز به دلیل وجود شرایط استثنایی در جو ممکن است این خطاها به وجود آید .
شکل 4-4 : : نمودار بیانگر میزان غلظت 〖NO〗_x محاسبه شده توسط برنامه و اندازه گیری شده در فواصل 50 ، 100 و 200 متری از فلر می باشد.
از شکل (4-9) نتیجه می شود که 6 درصد اختلاف میان غلظت های اندازه گیری شده و بدست آمده از طریق نرم افزار مربوطه وجود دارد . با توجه به توضیحات آمده در قبل این میزان خطا قابل قبول است .
شکل 4-5 : نمودار بیانگر میزان غلظت 〖SO〗_2 محاسبه شده توسط برنامه و اندازه گیری شده در فواصل 50 ، 100 و 200 متری از فلر می باشد.
از نمودارها نتیجه می شود که 8 درصد اختلاف میان غلظت های اندازه گیری شده و بدست آمده از طریق نرم افزار مربوطه وجود دارد .میزان خطای کمتر از 10% قابل قبول است .
4-3) الگوسازی آلاینده های خروجی از فلر
4-3-1) مشخصات واحد مورد مطالعه
واحد بهره برداری که مد نظر ما می باشد در فاصله 220 کیلومتری غرب کرمانشاه و 60 کیلومتری شهرستان قصرشیرین واقع گردیده است که با ظرفیت اسمی 15 هزار بشکه در روز، نفت تولیدی این میدان را پس از فرآورش، شیرین سازی و نمک زدایی به تلمبه خانه و سپس از طریق خط لوله به ایستگاه تقویت فشار پاطاق و سرانجام به پالایشگاه کرمانشاه ارسال می نماید.از آنجا که بخشی از این مخزن در خاک کشور همسایه عراق قرار دارد، از جایگاه و حساسیت ویژه ای برخوردار است.
4-3-2) مشخصات فلر مورد مطالعه
فلر موجود در نفت شهر از نوع FLARESIM1.2.0 ، بدون عامل اختلاط و Hot می باشد . این فلر از نوع فشار ضعیف (LP ) می باشند و سرعت خروج گاز از دهانه فلر 6 تا 7 متر بر ثانیه می باشد . مشخصات فیزیکی فلر در جدول (4-2) آورده شده است.
جدول 4-2: مشخصات فیزیکی فلر
طول (m )
قطر(in)
نوع
مشخصات فیزیکی
اجزاء اصلی فلر
3
10
لوله
نوک فلر(Tip )
22
24
–
دودکش (Stack )
ترکیبات ورودی به فلر برای فصل زمستان و تابستان طبق جداول (4-3) و (4-4) می باشد . با استفاده از این ترکیبات و نوشتن موازنه جرمی با احتراق 98 درصد ( بر اساس آئین نامه API ) در جدول (4-5) نسبت جرمی آلاینده های مورد بررسی آورده شده است .
جدول 4-3 : مشخصات ترکیبات ورودی فلر در زمستان
مشخصات ترکیبات ورودی فلر
O2
ناچیز
mol%
N2
0
mol%
CO2
014243/0
mol%
CH4
81928/0
mol%
C2H6
112658/0
mol%
C3H8
031477/0
mol%
i-C4H10
004374/0
mol%
n-C4H10
005778/0
mol%
i-C5H12
00156/0
mol%
n-C5H12
001177/0
mol%
C6+
000924/0
mol%
H2S
014945/0
Ppmv
دمای احتراق
900
کلوین
وزن مولکولی
25/24
gr/mol
چگالی هوا
262/1
kg/m3
چگالی ترکیب ورودی
086582/1
kg/m3
جدول 4-4 : مشخصات ترکیبات ورودی فلر در فصل تابستان
مشخصات ترکیبات ورودی فلر
O2
ناچیز
mol%
N2
0
mol%
CO2
016321/0
mol%
CH4
65723/0
mol%
C2H6
162088/0
mol%
C3H8
083595/0
mol%
i-C4H10
015326/0
mol%
n-C4H10
022437/0
mol%
i-C5H12
007377/0
mol%
n-C5H12
005995/0
mol%
C6+
006297/0
mol%
H2S
012765/0
Ppmv
دمای احتراق
1200-900
کلوین
وزن مولکولی
25/24
gr/mol
چگالی هوا
262/1
kg/m3
چگالی ترکیبات ورودی
086582/1
kg/m3
جدول4-5 : نسبت جرمی آلاینده ها
〖SO〗_2
〖NO〗_2
NO
CO
آلاینده های معیار
000021144/0
000444/0
000408/0
0033728/0
تابستان
نسبت جرمی
0000206154/0
000543/0
0002025/0
0028832/0
زمستان
4-3-3) داده های هواشناسی
با توجه به منطقه مورد بررسی نزدیک ترین ایستگاه به این منطقه ، ایستگاه سینوپتیک هواشناسی کرمانشاه با مشخصات طول و عرض جغرافیایی o15/47 و o35/34 در نظر گرفته شده است . داده های هواشناسی این ایستگاه براساس آمار روزانه از سازمان هواشناسی کشور تهیه شده است ، که به صورت میانگین برای هر فصل در جدول (4-6) ارائه شده است .
جدول 4-6 : میانگین داده های هواشناسی ایستگاه سینوپتیک کرمانشاه
سرعت باد غالب در ارتفاع مرجع (m/s)
میانگین تابش(MM)
میانگین پوشش ابر(n)
فشار میانگین در سطح ایستگاه
(mbar)
دمای میانگین
(ok)
فصل
85/4
11
3
865
767/299
یک روز تابستانی
4/4
6
8
5/869
867/276
یک روز زمستانی
توضیحات:
ارتفاع مرجع 10= zمی باشد.
طول و عرض جغرافیایی ایستگاه کرمانشاه به ترتیب برابر o15/47 و o35/34 می باشد.
4-3-3-1) محاسبه نیمرخ باد و دما
همانطور که پیش از این گفته شد برای محاسبه نیمرخ باد و دما بر طبق نظریه تشابهی مونین ابوخوف برنامه ای جهت محاسبه مقادیر طول مونین ابوخوف، و که پارامترهای اصلی ما برای تعیین کلاس پایداری با توجه به داده های هواشناسی می باشند در محیط Visual Basic نوشته شده است . با استفاده از این برنامه نیز برای دو روز در زمستان و تابستان مقادیر این پارامترها محاسبه شده است .
1) یک روز زمستانی
ورودی های مورد نیاز برای برنامه ذکر شده در بالا و می باشند که برای فصلهای مختلف متفاوت هستند. مقادیر آنها با توجه به روابط (3-30) و (3-31) برای زمستان به قرار زیر می باشد:
پس از قرار دادن این داده ها در برنامه مقدارL، و محاسبه شده در زیر آورده شده است:
با توجه به اینکه طول مونین ابوخوف بزرگتر از صفر می باشد در نتیجه می باشد و شرایط جوی در فصل زمستان پایدار می باشد.
نیمرخ باد:
داده های فرض شده برای محاسبه نیمرخ باد:
برای محاسبه نیمرخ باد از رابطه (3-38) استفاده می شود .
شکل 4-6: نمودار بیانگر نیمرخ سرعت باد نسبت به ارتفاع برای یک روز زمستانی می باشد.
نیمرخ دما :
داده های فرض شده برای محاسبه نیمرخ دما:
برای محاسبه نیمرخ دما از رابطه (3-39) استفاده می شود .
شکل 4-7 : نمودار بیانگر نیمرخ دما نسبت به ارتفاع برای یک روز زمستانی می باشد.
نیمرخ سرعت باد و دما نسبت به ارتفاع لگاریتمی برای نشان دادن وضوح بیشتر تغییرات در ارتفاعات برای هر دو فصل آورده شده است .
همانطور که قبلاً ذکر شد این نیمرخ ها به صورت UDF جهت ورودی نرم افزار الگوسازی نوشته شده و به نرم افزار داده می شود که در پیوست آورده شده اند .
2) یک روز تابستانی
با توجه به اینکه طول مونین ابوخوف کوچکتر از صفر می باشد در نتیجه می باشد و شرایط جوی ما در این فصل ناپایدار می باشد.
داده های فرض شده برای محاسبه نیمرخ باد و دما در همه ی فصل ها یکسان می باشد.
نیمرخ باد:
شکل 4-8 : نمودار بیانگر نیمرخ سرعت باد نسبت به ارتفاع برای یک روز تابستانی می باشد.
نیمرخ دما :
شکل 4-9 : نمودار بیانگر نیمرخ دما نسبت به ارتفاع برای یک روز تابستانی می باشد.
4-3-4) هندسه مسئله
فضایی به طول 2050 متر ( در جهت باد غالب ) بر اساس استانداردها و ارتفاع 286 متر ( 10 برابر ارتفاع فلر ) به عنوان دامنه حل در نظر گرفته شده است و چگونگی پخش آلاینده ها در این فضا مورد بررسی قرار گرفته می شود . فضای محاسباتی و محور های مختصات که در بررسی نتایج مورد استفاده قرار می گیرد در شکل (4-10) نشان داده شده است . محور X در جهت باد غالب و محور Y بیانگر ارتفاع است . مبدا مختصات بر مرکز فلر در سطح زمین منطبق است . کل فضای محاسباتی به صورت چهار وجهی تقسیم می شود . برای بهینه کردن تعداد حجم های کنترلی و زمان محاسبه با توجه به این که تغییرات غلظت آلاینده ها در نزدیک فلر بیش تر است ، در این ناحیه از حجم های کنترلی ریزتری استفاده شده است. همانطور که قبلاً ذکر شد برای ترسیم شکل هندسی و تقسیم فضای محاسباتی به حجم های کنترلی کوچک از نرم افزار شبکه بندی استفاده شده است.
شکل 4-10 : شمایی از فضای محاسباتی
شکل 4-11 : شمایی از شبکه بندی محیط مورد بررسی
4-3-5) شرایط مرزی
شرایط مرزی تعریف شده برای هندسه این مسئله بصورت زیر می باشد :
در مرز ورودی به دلیل داشتن نیمرخ باد و دما و تراکم ناپذیر بودن جو از شرایط مرزی ورودی جریان حاوی سرعت استفاده شده است و در مرز خروجی نیز از شرط مرزی خروجی جریان سیال که فشار سیال را برار با فشار جو در نظر می گیرد استفاده شده است . برای مرز بالایی هندسه نیز شرط مرزی تقارن ( تمامی مقادیر فلاکس ها را صفر در نظر گرفته است ) و برای زمین و دیواره های فلر شرط مرزی دیواره تعریف شده است. سطح خروجی فلر نیز به دلیل خروج آلاینده ها و داشتن دما و سرعت در این مرز، مرز ورودی جریان حاوی سرعت در نظر گرفته شده است.
4-3-6) فرضیات حل مسئله از طریق نرم افزار
فرضیات اصلی ما ، محیط پیوسته ، سیال نیوتنی می باشد. اما علاوه بر این یکسری فرضیات دیگر که در مسیر حل و الگوسازی لازم می باشند در نظر گرفته شده است. با توجه به این که در این رساله محیط الگوسازی هوا می باشد که فرضیات بوزینسک بر آن حاکم است، چگالی هوا ثابت و درنتیجه جریانات اتمسفری تراکم ناپذیر در نظر گرفته می شود. از اینرو حل بر پایه فشار انتخاب شده است. الگوریتم مورد استفاده در این رساله سیمپل می باشد.
4-4) تشریح نتایج
4-4-1) تشریح خطوط تراز حاصل از انتشار آلاینده های خروجی فلر در فصل تابستان
در فاصله 50 متری قبل از فلر، نیمرخ باد و دما به عنوان ورودی تعریف شده است و سرعت در ارتفاع سطح فلر در این مرز در حدود 5 متر بر ثانیه می باشد. در پشت فلر به دلیل برخورد جریان باد با فلر سرعت به شدت کاهش می یابد در نتیجه فشار بصورت قابل ملاحظه ای افزایش می یابد و با دور شدن از سطح زمین از فشار زیاد سطح زمین به تدریج کاسته می شود. با عبور جریان باد از فلر و در نظر گرفتن سرعت خروجی آلاینده ها از فلر تغییرات سرعت قابل توجه ای در بالای سطح فلر مشاهده می شود، در نتیجه این تغییرات سرعت ، فشار نیز متناسب با آن کاهش می یابد . این کاهش فشار بصورت پیوسته در سطح بالا تا رسیدن به فشار جو ادامه دارد. اما در ارتفاعات زیر سطح فلر بدلیل به وجود آمدن جریان گردابه ای که ناشی از برخورد جریان باد به سطوح عمودی (فلر) می باشد سرعت در نزدیکی زمین افزایش داشته و به همین دلیل کاهش فشار چشم گیری در سطح زمین مشاهده می شود. با دور شدن از سطح زمین در مرکز گردابه سرعت جریان هوا تا حدود نیم متر بر ثانیه کاهش می یابد و متناسب با آن فشار افزایش پیدا می کند. با در نظر گرفتن اینکه فشار گازهای آلاینده در جو با فشار اتمسفر برابراست و از آنجایی که فشار تابعی از گرما و سرعت جریان هوای محیط می باشد ، هنگام خروج از فلر به دلیل گرمتر بودن آلاینده ها و داشتن سرعت بیشتر نسبت به محیط اطراف ممکن است فشار آلاینده ها تا حدودی نسبت به فشار محیط بیشتر باشد اما به تدریج و با دور شدن از فلر و گذشت زمان به دلیل اندرکنش میان آلاینده ها با محیط اطراف این فشار به فشار محیط می رسد . تغییرات فشار در شکل (4-12) نشان داده شده است .
شکل 4-12 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر .خطوط تراز بیانگر تغییرات فشار نسبی محیط بر حسب پاسکال برای یک روز تابستانی به دلیل پخش آلاینده ها از فلر در جو می باشد.
با توجه به شکل (4-14) تا فواصل نزدیک فلر سرعت جریان هوا در حال افزایش می باشد اما در پشت فلر و در نزدیکی سطح زمین سرعت باد به دلیل برخورد با فلر کاهش پیدا می کند. بعد از فلر در ارتفاع بالای سطح خروجی فلر بدلیل اضافه شدن سرعت گازهای خروجی به سرعت جریان هوا از فلر سرعت تا حدود 14 افزایش پیدا کرده و سرعت جریان تا حدود m500 بعد از فلر به مقدار 9 متر بر ثانیه کاهش می یابد در حالی که در پایین سطح ارتفاع فلر به دلیل حرکت گردابه ای و جریان برگشتی سرعت به مقدار زیادی کاهش می یابد اما دوباره در ناحیه 100 تا 400 متری در ارتفاع 10 متری از سطح زمین افزایش سرعتی تا حدود مقدار منفی 6 تا 7 متر بر ثانیه مشاهده می شود.خطوط جریان در شکل (4-13) نشان داده شده است.
شکل 4-13 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر . شکل بیانگر خطوط جریان حرکت آلاینده در جو برای یک روز تابستانی در جو ناپایدار می باشد.
شکل 4-14 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر. خطوط تراز بیانگر سرعت آلاینده ها برحسب متر بر ثانیه برای یک روز تابستانی می باشند .
با توجه به در نظر گرفتن قانون گاز ایده ال جهت انجام محاسبات و تراکم ناپذیر بودن گازهای مورد بررسی، نرم افزار الگوسازی سیالات نیز چگالی را برحسب رابطه قانون گاز ایده ال تراکم ناپذیر است محاسبه می کند. براساس این رابطه تغییرات دما رابطه عکس با تغییرات چگالی دارد.
شکل 4-15 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر .در شکل خطوط تراز بیانگر تغییرات دما برحسب کلوین در دهانه خروجی فلر در یک روز تابستانی می باشند.
در این مورد با توجه به اینکه دمای خروجی از فلر زیاد و در حدود ok900 می باشد انتظار می رود که چگالی در این ناحیه مقدار خیلی کمی در حدود 3/0 تا 4/0 کیلو گرم بر متر مکعب را دارا باشد. با دور شدن از نوک فلر و افزایش ارتفاع دما کاهش پیدا کرده در نتیجه چگالی افزایش پیدا می کند اما باز نسبت به چگالی هوا مقدار کمتری را دارد. با دور شدن از فلر از فاصله حدوداً 500 متر به بعد بصورت تدریجی چگالی و دما تقریباً با چگالی و دما هوا برابر می شوند. . تغییرات دما و چگالی در شکل های (4-15) و (4-16) نشان داده شده است .
شکل 4-16 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر. در شکل خطوط تراز بیانگر تغییرات چگالی (kg⁄m^3 )هوا در دهانه خروجی فلر برای یک روز تابستانی می باشند.
پخش آلاینده ها تابع شکل جریان می باشد به همین دلیل پخش آلاینده در جهت جریان صورت می گیرد. به دلیل ناپایدار بودن جو انتظار می رود که آلاینده ها به سطوح بالاتر جو صعود کنند ، از اینرو تا مسافت 200 متر بعد از فلر آلاینده ها با سرعت خروجی 8 متر بر ثانیه تا ارتفاع 200 متر از سطح زمین در جو ناپایدار صعود می کنند و در اثر این صعود رفته رفته سرعت آلاینده ها کاهش یافته تا جایی که سرعت باد منطقه غالب می شود . در این مورد بعلت بالابودن سرعت باد منطقه در ارتفاعات بالا که به مقدار 10 تا 12 متر بر ثانیه می رسد حرکت آلاینده ها به صورت افقی در جهت باد ادامه می یابد و به دلیل ناپایداری جو آلاینده ها در فواصل دور به زمین می رسند ، این نحوه پخش آلاینده ها در شکل (4-17) آمده است .
شکل 4-17 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر. شکل بیانگر نحوه پخش آلاینده های خروجی از فلر برای یک روز تابستانی برای جو ناپایدارمی باشد .خطوط تراز نیز بیانگر نسبت جرمی آلاینده ها می باشد.
4-4-2) تشریح نتایج حاصل از انتشار آلاینده های خروجی فلر در فصل زمستان :
در فاصله 50 متری قبل از فلر، نیمرخ باد و دما به عنوان ورودی تعریف شده است و سرعت در ارتفاع سطح فلر در این مرز در حدود 6 متر بر ثانیه می باشد. در پشت فلر به دلیل برخورد جریان باد با فلر سرعت به شدت کاهش می یابد در نتیجه فشار بصورت قابل ملاحظه ای افزایش می یابد و با دور شدن از سطح زمین از فشار زیاد سطح زمین به تدریج کاسته می شود. با عبور جریان باد از فلر و در نظر گرفتن سرعت خروجی آلاینده ها از فلر تغییرات سرعت قابل توجه ای در بالای سطح فلر مشاهده می شود، در نتیجه این تغییرات سرعت ، فشار نیز متناسب با آن کاهش می یابد . این کاهش فشار بصورت پیوسته در سطح بالا تا رسیدن به فشار جو ادامه دارد. اما در ارتفاعات زیر سطح فلر بدلیل به وجود آمدن جریان گردابه ای که ناشی از برخورد جریان باد به سطوح عمودی (فلر) می باشد سرعت در نزدیکی زمین افزایش داشته و به همین دلیل کاهش فشار چشم گیری در نزدیکی سطح زمین مشاهده می شود. با دور شدن از سطح زمین در مرکز گردابه سرعت جریان هوا تا حدود نیم متر بر ثانیه کاهش می یابد و متناسب با آن فشار افزایش پیدا می کند. تغییرات فشار در شکل (4-18) نشان داده شده است .
شکل 4-18: محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر .خطوط تراز بیانگر تغییرات فشار نسبی محیط بر حسب پاسکال برای یک روز زمستانی به دلیل پخش آلاینده ها از فلر در جو می باشد.
با توجه به شکل خطوط جریان در شکل (4-19) و خطوط تراز سرعت در شکل (4-20) تا فواصل نزدیک فلر سرعت جریان هوا در حال افزایش می باشد اما در پشت فلر و در نزدیکی سطح زمین سرعت باد به دلیل برخورد با فلر کاهش پیدا می کند. بعد از فلر در ارتفاع بالای سطح خروجی فلر بدلیل اضافه شدن سرعت گازهای خروجی به سرعت جریان هوا از فلر سرعت تا حدود 17 افزایش پیدا کرده و سرعت جریان تا حدود m500 بعد از فلر به مقدار 9 متر بر ثانیه کاهش می یابد در حالی که در پایین سطح ارتفاع فلر به دلیل حرکت گردابه ای و جریان برگشتی سرعت به مقدار زیادی کاهش می یابد اما دوباره در ناحیه 100 تا 400 متری در ارتفاع 10 متری از سطح زمین افزایش سرعتی تا حدود مقدار منفی 6 تا 7 متر بر ثانیه مشاهده می شود.
شکل 4-19: محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر . شکل بیانگر خطوط جریان حرکت آلاینده در جو برای یک روز زمستانی در جو پایدار می باشد.
شکل 4-20 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر. خطوط تراز بیانگر سرعت آلاینده ها برحسب متر بر ثانیه برای یک روز زمستانی می باشند .
با توجه به در نظر گرفتن قانون گاز ایده ال جهت انجام محاسبات و تراکم ناپذیر بودن گازهای مورد بررسی، نرم افزار الگوسازی سیالات نیز چگالی را برحسب رابطه قانون گاز ایده ال تراکم ناپذیر است محاسبه می کند. براساس این رابطه تغییرات دما رابطه عکس با تغییرات چگالی دارد.در این مورد نیز با توجه به اینکه دمای خروجی از فلر زیاد و در حدود ok900 می باشد انتظار می رود که چگالی در این ناحیه مقدار خیلی کمی در حدود 4/0 تا حدوداً 5/0 کیلو گرم بر متر مکعب را دارا باشد. با دور شدن از نوک فلر و افزایش ارتفاع دما کاهش پیدا کرده در نتیجه چگالی افزایش پیدا می کند اما باز نسبت به چگالی هوا مقدار کمتری را دارد. با دور شدن از فلر از فاصله حدوداً 500 متر به بعد بصورت تدریجی چگالی و دما تقریباً با چگالی و دما هوا برابر می شوند. تغییرات دما و چگالی در شکل های (4-21) و (4-22) نشان داده شده است.
شکل 4-21: محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر .در شکل خطوط تراز بیانگر تغییرات دما برحسب کلوین در دهانه خروجی فلر در یک روز زمستانی می باشند.
شکل 4-22 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر. در شکل خطوط تراز بیانگر تغییرات چگالی (kg⁄m^3 )هوا در دهانه خروجی فلر برای یک روز زمستانی می باشند.
پخش آلاینده ها تابع شکل جریان می باشد به همین دلیل پخش آلاینده در جهت جریان صورت می گیرد. به دلیل ناپایدار بودن جو انتظار می رود که آلاینده ها به سطوح بالاتر جو صعود کنند ، از اینرو تا مسافت 200 متر بعد از فلر آلاینده ها با سرعت خروجی 8 متر بر ثانیه تا ارتفاع 200 متر از سطح زمین در جو ناپایدار صعود می کنند و در اثر این صعود رفته رفته سرعت آلاینده ها کاهش یافته تا جایی که سرعت باد منطقه غالب می شود . در این مورد نیز بعلت بالابودن سرعت باد منطقه در ارتفاعات بالا که به مقدار 10 تا 12 متر بر ثانیه می رسد حرکت آلاینده ها به صورت افقی در جهت باد ادامه می یابد و به دلیل پایدار بودن جو و وارونگی در ارتفاع 10 متری از سطح زمین آلاینده در همین جهت به حرکت خود ادامه می دهند، این نحوه حرکت در شکل (4-23) آمده است .
شکل 4-23 : محور X فاصله برحسب متر و محور Y فاصله برحسب متر. شکل بیانگر نحوه پخش آلاینده های خروجی از فلر برای یک روز زمستانی برای جو پایدارمی باشد .خطوط تراز نیز بیانگر نسبت جرمی آلاینده ها می باشد.
4-4-3) بررسی تغییرات غلظت آلاینده ها در دو فصل تابستان و زمستان :
همانطور که تا اینجا ذکر شده است مهمترین اهداف در این رساله به دست آوردن میزان غلظت آلاینده های معیار خروجی از فلر می باشد ، جهت رسیدن به این اهداف غلظت آلاینده ها در ارتفاع هایی که از نقطه نظر سلامتی انسان ، جانوران و گیاهان و کنترل آلودگی هوا مد نظر می باشد مورد بررسی قرار گرفته است . ارتفاع های مورد نظر ما ارتفاع سطح زمین به دلیل پوشش گیاهی ، ارتفاع 2 متری از سطح زمین ( ارتفاع سطح تنفس ) در جهت اطمینان از سلامتی انسان ها و جانوران و ارتفاع 35 متری از سطح زمین به دلیل برنامه هایی جهت احداث ایستگاه های اندازه گیری می باشند . انتخاب ارتفاع سطح زمین و سطح تنفس به دلیل کوتاه بودن ارتفاع فلر ( 25 متر ) می باشد که بر اثر نزدیک بودن سطح خروج آلاینده ها به سطح زمین مقدار قابل توجهی از غلظت آلاینده ها تا فاصله 200 متر از فلر در سطوح پایین تر پخش شده و به سطح زمین می رسد.
همانطور که از خطوط تراز غلظت مشاهده می شود در نزدیکی دهانه فلر به علت تراکم آلاینده ها بیشترین غلظت در این ناحیه مشاهده می شود. با فاصله گرفتن از دهانه فلر و صعود آلاینده ها غلظت به تدریج کاهش یافته و همانطور که در بالا ذکر شد بیشترین غلظت بر روی سطح انتشار مشاهده می شود در حالی که در سطوح بالا و پایین این ناحیه غلظت بسیار کم می باشد.
با بررسی همزمان خطوط تراز غلظت و نمودارهای اندازه گیری شده در ارتفاعات 2 و 35 متری از سطح زمین و فواصل 5 و 50 متری از فلر، بررسی نحوه ی پخش آلاینده و تعیین غلظت در نقاط مختلف امکانپذیر می شود. با در نظر گرفتن شکل خطوط ترازهای غلظت که در ادامه آورده شده است ، مشاهده می شود که نحوه ی پخش آلاینده از دهانه خروجی فلر به سمت بالا و رو به جلومی باشد.
4-4-3-1) تشریح نحوه پخش آلاینده CO :
همانطور که در بالا گفته شد بررسی همزمان نمودارهای تغییرات غلظت در ارتفاع ها و فاصله های مختلف با خطوط ترازهای غلظت امکان پذیر می باشد . با مقایسه نحوه پخش آلاینده ها در تابستان و زمستان مشاهده می شود که در تابستان به دلیل ناپایدار بودن جو مولفه عمودی سرعت باد مقدار دارد و همانطور که انتظار می رود ، آلاینده ها به سطوح بالاتر جو صعود کرده و پخش رو به بالایی دارند و مقدار کمی از آلاینده ها به سطوح پایین تر از فلر به دلیل جریان گردابه ای کشیده می شوند، اما در زمستان با توجه به اینکه جو پایدار است ، مولفه عمودی سرعت نزدیک صفر می باشد در نتیجه آلاینده ها تمایل به پخش در همان سطح در جهت افقی دارند . براین اساس در شکل های (4-24) و (4-25) نحوه پخش آلاینده CO در نزدیکی دهانه خروجی فلر برای دو فصل تابستان و زمستان نشان داده شده است .
شکل 4-24 : محور X فاصله بر حسب متر و محور Y ارتفاع برحسب متر .شکل بیانگر نحوه پخش CO در دهانه خروجی فلر برای یک روز تابستانی می باشد و خطوط تراز نسبت جرمی را نشان می دهند.
شکل 4-25: محور X فاصله بر حسب متر و محور Y ارتفاع برحسب متر .شکل بیانگر نحوه پخش CO در دهانه خروجی فلر برای یک روز زمستانی می باشد و خطوط تراز نسبت جرمی را نشان می دهند.
با بررسی نمودار (4-26) نتیجه می شود که با توجه به توضیحات قبل تا فاصله 250 متری از فلر در سطح تنفس میزان غلظت آلاینده ها بسیار بالاتر از نواحی دیگر است. با در نظر گرفتن استاندارد مجاز هوای پاک و مقایسه آن با نمودار رسم شده برای تغییرات غلظت آلاینده منوکسید کربن ( CO) در دو روز تابستانی و زمستانی نتیجه می شود که غلظت های محاسبه شده از استانداردهای مجاز هوای پاک بیشتر می باشند که این غلظت ها تا فاصله 500 متری از فلر به همین صورت در هوا وجود دارند و از این فاصله به بعد به تدریج کاهش یافته و از غلظت استاندارد مجاز هوای پاک کمتر می باشند. از اینرو این میزان غلظت آلاینده که در اینجا تنها مربوط به یک آلاینده می باشد برای سلامتی کارکنان بسیار مضر می باشد و در نظر گرفتن تمهیداتی جهت کاهش غلظت آلاینده CO در این منطقه ضروری می باشد. با توجه به اینکه در زمستان جو پایدار می باشد انتظار می رود میزان آلاینده کمتری نسبت به تابستان که جو ناپایدار می باشد به سطح زمین برسد زیرا در ارتفاع 10 متری از سطح زمین وارونگی رخ می دهد،به همین دلیل تغییرات غلظت در ارتفاع سطح تنفس برای روز تابستانی بیشتر از روز زمستانی می باشد.
در شکل (4-27) با توجه به اینکه نمودار در ارتفاع 35 متری از سطح زمین رسم شده است ، در ابتدای نمودار به دلیل منطبق نبودن خط افقی با خطوط تراز پخش غلظت، مقدار غلظت بسیار کم اندازه گیری شده است اما از فاصله کمی از مرکز فلر غلظت به دلیل منطبق شدن این خط با خطوط تراز پخش غلظت بشدت افزایش یافته تا در حدود 10 متری از مرکز فلر به بیشترین مقدار خود می رسد و دوباره به تدریج با دور شدن از مرکز سطح انتشار ، نمودار غلظت به تدریج تا 20 متری کاهش یافته و از آن پس با شیب بسیار کمی تقریباً صفر غلظت ها کاهش می یابند و همانطور که در شکل دیده می شود در فاصله حدوداً 3 تا 13 متری از فلر مقدار غلظت بیشتر از استاندارد مجاز انتشار می باشد. با مقایسه ای میان تغییرات غلظت در ارتفاع 10 متر بالاتر از خروجی فلر در جهت باد غالب برای زمستان و تابستان نیز دیده می شود که به دلیل نزدیک بودن گرادیان عمودی دما به حالت بی دررو و بیشتر بودن سرعت باد در روز تابستانی میزان تغییرات غلظت آلاینده CO در تابستان بیشتر از زمستان می باشد.
شکل 4-26: نمودار بیانگر تغییرات غلظت CO در ارتفاع 2 متری از سطح زمین ( ارتفاع سطح تنفس) برای دو روز زمستانی و تابستانی و غلظت استاندارد مجاز هوای پاک برای CO می باشد.
شکل 4-27: نمودار بیانگر تغییرات غلظت CO در ارتفاع 35 متری از سطح زمین برای دو روز زمستانی و تابستانی و غلظت استاندارد مجاز انتشار فلر برای CO می باشد.
نمودار توزیع غلظت CO در ارتفاع در فاصله های 5، 50 متری از فلر برای دو روز تابستانی و زمستانی به صورت زیر می باشد . در این نمودارها مقایسه ای میان این مقادیر با غلظت استاندارد مجاز انتشار نشان می دهد که در ارتفاع 5 متری از سطح خروجی فلر تا 10 متری از این سطح غلظت ها از استاندارد مجاز انتشار فلر بیشتر می باشد و بیشترین میزان غلظت در ارتفاع حدوداً 32 متری از سطح زمین می باشد و از این ارتفاع به بعد میزان غلظت به تدریج کاهش می یابد تا در ارتفاع 40 متری از سطح زمین به صفر می رسد.
شکل 4-28 : نمودار بیانگر تغییرات غلظت CO در ارتفاع در فاصله 5 متری از فلر برای دو روز تابستانی و زمستانی و غلظت استاندارد مجاز انتشار فلر می باشد.
شکل 4-29 : نمودار بیانگر تغییرات غلظت CO در ارتفاع در فاصله 50 متری از فلر برای دو روز تابستانی و زمستانی و غلظت استاندارد مجاز انتشار فلر می باشد.
با مقایسه ای میان تغییرات غلظت در زمستان و تابستان در شکل های (4-28) و (4-29) مشاهده می شود که در سطوح بالاتر از خروجی فلر میزان آلاینده در تابستان با اختلاف ناچیزی از زمستان بیشتر است.
4-4-3-2) تشریح نحوه پخش آلاینده 〖NO〗_x :
نحوه توزیع غلظت برای دیگر آلاینده ها نیز مانند توزیع غلظت CO که در بالا مفصلاً به آن پرداخته شده است، می باشد. از اینرو برای دیگر آلاینده ها تنها به تشریح نمودارها اکتفاشده است. در شکل های (4-30)، (4-31) ، (4-32) و (4-33) نحوه پخش 〖NO〗_2 و NO در دهانه خروجی فلر برای تابستان و زمستان نشان داده شده است.
شکل 4-30: محور X فاصله بر حسب متر و محور Y ارتفاع برحسب متر. شکل بیانگر نحوه پخش NO در دهانه خروجی فلر برای یک روز تابستانی می باشد و خطوط تراز نسبت جرمی را نشان می دهند.
شکل 4-31 : محور X فاصله بر حسب متر و محور Y ارتفاع برحسب متر. شکل بیانگر نحوه پخش 〖NO〗_2 در دهانه خروجی فلر برای یک روز تابستانی می باشد و خطوط تراز نسبت جرمی را نشان می دهند.
شکل 4-32: محور X فاصله بر حسب متر و محور Y ارتفاع برحسب متر. شکل بیانگر نحوه پخش NO در دهانه خروجی فلر برای یک روز زمستانی می باشد و خطوط تراز نسبت جرمی را نشان می دهند.
شکل 4-33 : محور X فاصله بر حسب متر و محور Y ارتفاع برحسب متر. شکل بیانگر نحوه پخش 〖NO〗_2 در دهانه خروجی فلر برای یک روز زمستانی می باشد و خطوط تراز نسبت جرمی را نشان می دهند.
با بررسی نمودار (4-34) مشاهده می شود که غلظت اکسیدهای ازت از استاندارد مجاز هوای پاک حتی تا 2000 متر هم بیشتر است .دلیل این امر دمای بالای احتراق است .دمای احتراق در حدود 900 تا 1200 درجه کلوین می باشد.
شکل 4-34 : نمودار بیانگر تغییرات غلظت NOx در ارتفاع 2 متری از سطح زمین ( ارتفاع سطح تنفس) برای دو روز زمستانی و تابستانی و غلظت استاندارد مجاز هوای پاک برای آن می باشد.
نمودار (4-35) نشان می دهد که تغییرات غلظت در ارتفاع 35 متری از سطح زمین حتی در بیشترین نقطه از استاندارد مجاز انتشار فلر (709 میلی گرم بر متر مکعب) کمتر می باشد . با مقایسه ای میان تغییرات غلظت در ارتفاع 10 متری از سطح خروجی فلر در جهت باد غالب برای زمستان و تابستان دیده می شود که به علت ناپایدار بودن جو در تابستان میزان غلظت ها درارتفاعات بالاتر از سطح خروجی فلر برای این روز بیشتر از زمستان می باشد.
شکل 4-35 : نمودار بیانگر تغییرات غلظت NOx در ارتفاع 35 متری از سطح زمین برای دو روز زمستانی و تابستانی و غلظت استاندارد مجاز انتشار فلر برای آن می باشد.
نمودار توزیع غلظت آلاینده 〖NO〗_(x ) در ارتفاع در فاصله های 5 و 50 متری از فلر برای دو روز زمستانی و تابستانی به صورت زیر می باشد . همانطور که از نمودار مشاهده می شود که غلظت ها در بیشترین حالت مقداری درحدود 100 میلی گرم برمتر مکعب دارند که از استاندارد مجاز انتشار که در حدود 709 میلی گرم بر متر مکعب می باشد خیلی کمتر است.
شکل 4-36 : نمودار بیانگر تغییرات غلظت 〖NO〗_x در ارتفاع در فواصله 5 متری از فلر برای دو روز زمستانی و تابستانی می باشد.
شکل 4-37: نمودار بیانگر تغییرات غلظت 〖NO〗_x در ارتفاع در فاصله50 متری از فلر برای دو روز تابستانی و زمستانی می باشد.
با توجه به دو شکل (4-36) و (4-37) میزان غلظت اکسیدهای ازت در ارتفاعات بالای سطح خروجی فلر برای تابستان بیشتر از زمستان می باشد و با دور شدن از دهانه فلر به میزان 40 متر در جهت باد غالب در ارتفاع میزان آلاینده ها به شدت کاهش پیدا کرده است.
4-4-3-3) تشریح نحوه پخش آلاینده 〖SO〗_2 :
در شکل های (4-38) و (4-39) نحوه پخش 〖SO〗_2 در دهانه خروجی فلر برای تابستان و زمستان آورده شده است .
شکل 4-38 : محور X فاصله بر حسب متر و محور Y ارتفاع برحسب متر. شکل بیانگر نحوه پخش 〖SO〗_2 در دهانه خروجی فلر برای یک روز تابستانی می باشد و خطوط تراز نسبت جرمی را نشان می دهند.
شکل 4-39 : محور X فاصله بر حسب متر و محور Y ارتفاع برحسب متر. شکل بیانگر نحوه پخش 〖SO〗_2 در دهانه خروجی فلر برای یک روز زمستانی می باشد و خطوط تراز نسبت جرمی را نشان می دهند.
با بررسی نمودار (4-40) مشاهده می شود که غلظت دی اکسید گوگرد در ارتفاع سطح تنفس تا 2000 متر بعد از فلربرای هر دو روز بیشتر از مقدار استاندارد مجاز اولیه هوای پاک است و از استاندارد مجاز ثانویه هوای پاک کمتر می باشد.
شکل 4-40 : نمودار بیانگر تغییرات غلظت 〖SO〗_2 در ارتفاع 2 متری از سطح زمین ( ارتفاع سطح تنفس) برای دو روز زمستانی و تابستانی و غلظت استاندارد مجاز اولیه و ثانویه هوای پاک برای آن می باشد.
نمودار (4-41) نشان می دهد که تغییرات غلظت دی اکسید گوگرد در این ارتفاع حتی در بیشترین نقطه از استاندارد مجاز انتشار فلر که 2260 میلی گرم بر متر مکعب می باشد بسیار کمتر می باشد. میزان این تغییرات برای دو روز زمستانی و تابستانی با توجه به توضیحات قبلی تقریباً مشابه می باشد.
شکل 4-41 : نمودار بیانگر تغییرات غلظت 〖SO〗_2 در ارتفاع 35 متری از سطح زمین برای دو روز زمستانی و تابستانی می باشد.
نمودار توزیع غلظت آلاینده 〖SO〗_(2 ) در ارتفاع در فاصله های 5 و50 متری از فلر به صورت زیر می باشد . میزان تولید دی اکسید گوگرد در بیشترین حالت هم از استاندارد مجاز انتشار پایین است به همین دلیل نمودار آن رسم نشده است. میزان تغییرات غلظت برای هر دو روز زمستان و تابستان نزدیک به هم می باشد.
شکل 4-42: نمودار بیانگر تغییرات غلظت 〖SO〗_2 در ارتفاع در فاصله 5 متری از فلر برای دو روز تابستانی و زمستانی می باشد.
شکل 4-43 : نمودار بیانگر تغییرات غلظت 〖SO〗_2 در ارتفاع در فاصله 50 متری از فلر برای دو روز زمستانی و تابستانی می باشد.
4-4-3-4) تشریح تغییرات دما و چگالی :
همانطور که در نمودارهای زیر دیده می شود در نزدیکی سطح خروجی فلر به علت بالابودن دما کمترین چگالی مشاهده می شود و به تدریج با دور شدن از این سطح در هر دو جهت افقی و عمودی کاهش دما و افزایش چگالی همانطور که در بالا نیز ذکر شد تا دما و چگالی محیط مشاهده می شود.
شکل 4-44 : نمودار بیانگر تغییرات دما نسبت به چگالی در ارتفاع 26 متری از سطح زمین در جهت باد غالب برای دو روز زمستانی و تابستانی می باشد.
شکل 4-45 : نمودار بیانگر تغییرات دما نسبت به چگالی روی خط مرکزی فلر برای دو روز زمستانی و تابستانی می باشد.
5) فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات
5-1) مقدمه :
در این فصل با توجه به الگوسازی انجام شده ، بررسی و تشریح خطوط ترازها و نمودارها در فصل قبل، به جمع بندی نتایج پرداخته شده و در پایان پیشنهاداتی برای تکمیل و دستیابی به نتایج دقیق تر و رفع کمبودهای موجود در این مطالعه ارائه شده است.
5-2) جمع بندی و نتیجه گیری
در این رساله الگوسازی دینامیک سیالات محاسباتی به عنوان گزینه ای جدید برای پیش بینی چگونگی پخش آلاینده های CO ،〖NO〗_(x ) و 〖SO〗_(2 ) ( در حالت جمعی براساس معادلات یکسان برای تمام گازها ) از یک فلر ظرفیت پایین بدون عامل اختلاط در دو روز زمستان و تابستان مطرح و به صورت عددی حل گردید. در ابتدا مقایسه نتایج حاصل از الگوسازی با داده های اندازه گیری شده جهت صحت سنجی الگو، نشان داد که این روش می تواند پخش آلاینده ها را با دقت مطلوبی پیش بینی نماید. الگوی پخش آلاینده ها نشان می دهد که غلظت آلاینده های خروجی از منبع فلر بستگی به حجم گازهای فلر شده ، ارتفاع فلر ، سرعت باد و شرط پایداری جو دارد .
به طور کلی حرکت آلاینده ها تابع شکل جریان می باشد و با توجه به دو بعدی بودن الگو ، بعلت برخورد باد با فلر بعد از عبور جریان هوا از فلر در سطوح پایین تر از ارتفاع فلر گردابه ای در این ناحیه ایجاد می شود. از اینرو در هر دو روز تا فاصله 500 متری بعد از فلر در این سطوح به دلیل این جریان برگشتی و ارتفاع کم فلر درصدی از غلظت آلاینده ها به سطوح پایین تر آورده می شود. در روز زمستانی به دلیل وارونگی در ارتفاع 10 متری از سطح زمین آلاینده ها تمایل بیشتری برای حرکت در سطح افقی دارند.
بررسی های انجام شده نشان می دهد که در جو ناپایدار آلاینده ها تمایل به صعود به سطوح بالاتر جو و پخش شدگی بیشتری دارند ، اما در جو پایدار این پخش شدگی در جهت عمودی بسیار کمتر و در جهت افقی بیشتر صورت می گیرد. با در نظر گرفتن این موضوع و اینکه انجام الگوسازی در دو روز تابستان و زمستان با حجم دبی ورودی یکسان انجام شده است، به دلیل متفاوت بودن شرایط پایداری زمستان و تابستان نحوه پخش آلاینده ها تا حدودی با یکدیگر متفاوت است. در هر دو روز تا حدود 500 متر بعد از فلر به دلیل سرعت اولیه آلاینده ها تا 100 متری از سطح زمین آلاینده ها صعود کرده اما بعد از این فاصله در زمستان به دلیل پایدار بودن جو آلاینده ها برخلاف تابستان که جو ناپایدار است تمایل به حرکت در جهت عمودی نداشته و در سطح افقی در جهت باد غالب حرکت می کنند.
از بررسی های انجام شده نتیجه می شود که بیشترین مقادیر غلظت آلاینده CO محاسبه شده برای هر دو روز در ناحیه 50 متر بعد از فلر(در جهت x) و 25 متر بالاتر از دهانه فلر(در جهت y) مشاهده می شود، که این مقدار که تا حدود 1400 میلی گرم بر متر مکعب نیز در نزدیکی دهانه خروجی فلر می رسد از استاندارد مجاز انتشار ( 160 میلی گرم بر متر مکعب ) بیشتر می باشد. در ارتفاع سطح تنفس مقدار غلظت این آلاینده برای هر دو روز بیشتر از استاندارد مجاز هوای پاک ( 40 میلی گرم بر متر مکعب ) می باشد که این غلظت ها تا فاصله 500 متری از فلر به همین صورت در هوا وجود دارند. از اینرو این میزان غلظت آلاینده CO برای سلامتی کارکنان بسیار مضر می باشد و در نظر گرفتن تمهیداتی جهت کاهش غلظت آلاینده CO در این منطقه ضروری می باشد.
با توجه به ناپایدار بودن جو در روز تابستان، میزان آلاینده بیشتری نسبت به روز زمستانی (جو پایدار) به سطح زمین می رسد ..
در مورد آلاینده 〖NO〗_x بررسی های انجام شده نشان می دهد که بیشترین مقادیر غلظت این آلاینده محاسبه شده برای هر دو روز در ناحیه 5 متری بعد از فلر(در جهت x) و 5 متر بالاتر از دهانه فلر(در جهت y) وجود دارد که این مقدار که تا حدود 300 میلی گرم بر متر مکعب نیز در نزدیکی دهانه خروجی فلر می رسد از استاندارد مجاز انتشار ( 709 میلی گرم بر متر مکعب ) کمتر می باشد و همانطور که انتظار می رود به علت ناپایدار بودن جو در تابستان میزان غلظت آلاینده ها درارتفاعات بالاتر از دهانه فلر برای این روز بیشتر می باشد. در ارتفاع سطح تنفس مقدار غلظت این آلاینده برای هر دو فصل از استاندارد مجاز هوای پاک ( 1/0 میلی گرم بر متر مکعب ) بسیار بیشتر می باشد. دلیل این مسئله بالا بودن دمای احتراق می باشد زیرا 〖NO〗_x گازی است که از احتراق تولید می شود. از اینرو انجام تمهیداتی جهت اصلاح این دما ضروری می باشد.
در مورد آلاینده 〖SO〗_2 نتایج الگوسازی نشان می دهد که غلظت این آلاینده در بیشترین مقدار خود حدود 10 میلی گرم بر متر مکعب می باشد که از استاندارد مجاز انتشار ( 2260 میلی گرم بر متر مکعب ) بسیارکمتر می باشد، اما درارتفاع سطح تنفس غلظت دی اکسید گوگرد تا حدود 2000 متر بعد از فلر از میزان استاندارد مجاز اولیه هوای پاک (08/0میلی گرم بر متر مکعب ) بیشتر می باشد و از استاندارد مجاز ثانویه هوای پاک کمتر می باشد.
با توجه به این که نتایج حاصل از محاسبات دینامیک سیالات محاسباتی شامل جزئیات کامل جریان از جمله تغییرات سرعت ، فشار ، غلظت آلاینده های مختلف و غیره در دامنه حل می باشد استفاده از این روش می تواند در شناخت پدیده های مختلف از جمله پخش گازهای آلاینده و گلخانه ای و گرد و غبار و هر مسئله ای که حرکت سیال در آن نقش اساسی داشته باشد بسیار کمک کننده باشد .
5-3) پیشنهادات :
1) انجام الگوسازی با استفاده از الگوهای آشفتگی دیگر
2) اجرای الگو برای پیش بینی نحوه پخش گازهای گلخانه ای
3) الگو سازی پخش آلاینده ها با در نظر گرفتن بر هم کنش شیمیایی بین آنها
4) انجام الگو سازی پخش آلاینده ها از فلر در سه بعد
5) انجام الگوسازی برای فلر ها ظرفیت بالا و متوسط و دیگر منابع تولید آلاینده
6) انجام الگوسازی احتراق فلرها
6) فهرست منابع و مآخذ :
فهرست فارسی :
1) اصفهانیان ، وحید، ( دینامیک سیالات محاسباتی 1 ) ، انتشارات دانشگاه تهران، دانشگاه تهران – دانشکده مهندسی مکانیک ، نیمسال دوم 89-88 ، فصل 1و 7.
2) آیین نامه جرائم زیست محیطی ایران ، 1389 .فصل 6.
3) تشرفی ، سعیده ، " تعیین میزان دی اکسید نیتروژن در هوا با استفاده از روش نمونه برداری غیرفعال و مقایسه با روش های دستگاهی "، کنفرانس محیط شناسی، سال سی و سوم ، شماره 41، صفحه 16-11 ، بهار 1386 .
4) تراز نامه انرژی، بخش هشتم : انرژی و محیط زیست سال، 1385 .
5) دفتر همکاری های فناوری ریاست جمهوری،" مطالعات امکان سنجی – جذابیت پیل سوختی و تدوین استراتژی توسعه تکنولوژی پیل سوختی در کشور"، مرکز گسترش فناوری اطلاعات (مگفا) ، فصل ششم : بررسی وضعیت کشور از لحاظ انتشار آلاینده های هوا در چشم انداز 20 سال آینده .
6) شاهینی ، محمد ،( مدیریت گازهای فلر )، نشر اتحاد – جهان نو،1386 ، فصل 1و 2 .
7) صدر نژاد ، سید امیرالدین ، جزوه درس روشهای عددی ، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی ، دانشکده مهندسی عمران- محیط زیست، نیمسال اول 89-90.
8) عباس پور ، مجید ،(مدل سازی آلودگی هوا )، موسسه ی انتشارات علمی دانشگاه صنعتی شریف، 1390 ، فصل 1و4.
9) عمید ، مجدالدین ،" مدل سازی انتشار آلاینده های تولیدی در مجتمع پتروشیمی بوعلی سینا"، پایان نامه کارشناسی ارشد ، دانشکده محیط زیست دانشگاه تهران،1388.
10) علیزاده داخل ، اصغر ،" مدل سازی پخش ذرات معلق کارخانه سیمان کرمان با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی "، مجله سلامت و محیط ، فصلنامه ی علمی پژوهشی انجمن علمی بهداشت محیط ایران، دوره سوم،شماره اول ، صفحات 67 تا 74 ، بهار 1388 .
11) غیاث الدین ، منصور ،( آلودگی هوا ، منابع ، اثرات و کنترل )، انتشارات دانشگاه تهران، 1385 ، فصل 1،2و 3 .
12) قسامی ، طاهره ،" بررسی تغییرات قائم دمای پتانسیل در چند دوره بحرانی آلودگی هوای تهران "، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران ،علوم وتکنولوژی محیط زیست ، دوره یازدهم ، شماره سه، 1389 .
13) یدقار،امیر محمد،" مدل سازی و تحلیل پراکنش آلاینده های منتشره از منابع متحرک آلودگی هوا بر پایه ی GIS ( مطالعه موردی : تهران بزرگ ) "،پایان نامه کارشناسی ارشد ،دانشکده محیط زیست دانشگاه تهران ،1385 .
فهرست لاتین :
14) Barry R. G., Chorley R.J. "Atmosphere , weather and climate ", Methuen , New York , 1987 .
15) Benarie , M ." the limits of air pollution modeling" , Atmos . Environ . 4 : (1) 1-5,1987 .
16) Cermac, J.E .," Laboratory simulation of the atmospheric boundary layer ," AIAA J.9,9,1746-1754 (seot . 1971 ).
17) Diana K. Stone , Susan K. Lynch and Richard F. Pandullo " Flares" U.S Environmental Protection Agency ,Chapter 7, December 1995 .
18) Gavriel S. (1991),( Handbook of industrial engineering ), A Willey Inter Science publication, New-York, 1991.
19) Gwedolyn H., Lewis T. (1993),( Handbook of environmental technology ), Mc Graw Hill publication, USA, 1993, p. 23-40
20) Hameed , S ., and Dignon , J ., "changes in the geographical distribution of global emissions of 〖NO〗_x and 〖SO〗_x from fossil – fuel combustion between 1966 and 1980 ". Atmos. Environ ., 22:441-449 ,1988.
21) Jacobson.Mark.Z,Cambridge university ( Fundamentals of Atmospheric Modeling ) ,second edition ,2005,chap 1,2,3,4,8 .
22) Joachim Leimkuhler ,Hans ," Managing 〖CO〗_2 Emissions in the Chemical Industry", Wiley-VCH Verlag & Co.KGaA, Boschstr ,2010.
23) Lisa Hanla " Methane Emission Factor Development Project for Select Sources in the Natural Gas Industry " United states Environmental Protection Agency , March 31, 2009 .
24) Narasimha M , Brennan MS , Holtham PN , Purchase A , Napier- Munn TJ . "Large eddy simulation of a dense medium cyclone – prediction of medium segregation and coal partitioning ". Proceedings of the fifth International Conference on CFD in the Process Industries ; 2006 13-15 Dec ; CSIRO , Melbourne , Australia .
25) Odigure J.O., Abdulkareem A.S. (2001)," Modelling of pollutants migration from gas flaring in the Niger – Delta area ", Association for the advancement of modeling and simulation techniques in enterprises (AMSE), 2001, 62(3), p. 60.
26) Oyekunle L.O. (1999)," Effects of gas flaring in Niger – Delta area ", Nigeria Society of Chemical Engineer Proceedings of 29th Annual Conference, Port – Harcourt, Nigeria, 1999.
27) Stephen B.Pope, ( Turbulent Flows ), Cornell University , Cambridge University PRESS ,2007.
28) Selma E. Guigard , Ph.D " Heat Radiation From Flares "Science and Technology Branch Enviromental Sciences Division , May 2000 .
29) Trinity Consultants ," Fundamentals of Dispersion Modeling" .
30) User's guide of Fluent.
31) Ye Li , "Numerical Evaluation of Wind- Induced Dispersion of Pollutanas around Buildings", A Thesis in the Department of Building , Civil and Environmental Engineering , for the Degree of Doctor of Philosophy , Concordia University, October 1998 .
32) Zannetti, P.( Air pollution Modeling ), Theories , Computiational methods and available softwares , Computational Mechanics Publication, 1990 .
33) Zhang Z , Chen X , Mazumdar S , Zhang T , Chen Q " Experimental and numerical investigation of airflow and contaminant transport in an airliner cabin mockup Building and Environment ".44:85-94 ,2009 .
34) Zhonghua W , Mujumdar AS " CFD modeling of the gas- particle flow behavior in spouted beds . Powder Technology . 183 : 260-72 ,2008.
.
Abstract
The harmful effect of air pollution is an important issue in in every society through the world. Health and economic problems of air pollution have made the scientists turn to investigating it during the recent years. Predicting the criteria pollutant concentration, considering the interaction between three factors atmospheric conditions, topography and pollutant producing plays an important role in order to deal with air pollution.
Oil operation industry is one of the important and income industries. So, we need to consider its pollution as it develops .One of the most important destructive effects in oil operation industry is the gases through flaring. Understanding the advection and diffusion of the pollutants of these gases can lead as to determine the location of weather control stations in the area, to preserve the employments' safety, and to do the environmental activities in order to recycling these gases and other products. The advection and diffusion of CO,〖NO〗_x and 〖SO〗_2 are the most important pollutants from the gas flaring in oil operation industry ,so in this thesis the advection and diffusion of these pollutants through a low pressure (LP) flare without mixing factor is investigated by the means of Computational Fluid Dynamics(CFD) modeling.
In order to simulate the advection and diffusion of gas flaring pollutants, a calculation domain with dimensions of 2050×286 meters was considered. The domain is divided into 66000 quadrilateral control volumes. The K-ε RNG model is used for turbulence modeling.
The concentration of pollutants in the whole calculation domain was computed and compared to the measured values and a good agreement was observed. Also, the predicted concentration of the pollutants profiles at different levels was analyzed, and was compared with Ambient Air Standards and Emission Standards.
The results of the present work showed that CFD including advection, diffusion, emission developed in finite volume method is a useful tool for understanding and solving such problem for dispersion of pollutants in air.
Key words: Numerical Modeilng, Air Pollution, Computational Fluid Dynamics, Concentration of Pollutants, Flare.
K.N.Toosi University of Technology
Civil Engineering Faculty
Master of Science in Environmental Engineering
Numerical Investigation of Contamination through Oil Well Domain
By
Mozhgan Khoushehgir
Under the Supervision of
Dr. Seyed Amireddin Sadrnejad
January 2012
7) پیوست
برنامه نوشته شده به زبان برنامه نویسی Visual Basic برای محاسبه نیمرخ باد و دما :
Dim beta, gama
Private Function fi(x, l, beta, gama(
If x / l > 10 ^ (-5) Then fi = 1 + (beta * x / l)
If x / l < -10 ^ (-5) Then fi = (1 – (gama * x / l)) ^ (-0.25)
If -10 ^ (-5) < x / l < 10 ^ (-5) Then fi = 1
End Function
Private Function fih(z, l, betah, gamah, prt)
If zr / l > 10 ^ (-5) Then fih = prt + (betah * z / l)
If zr / l < -10 ^ (-5) Then fih = prt * (1 – (gamah * z / l)) ^ (-0.5)
If -10 ^ (-5) < zr / l < 10 ^ (-5) Then fih = prt
End Function
Sub Button2_Click()
z0m = Sheet1.Cells(1, 2)
k = Sheet1.Cells(2, 2)
gama = Sheet1.Cells(3, 2)
beta = Sheet1.Cells(4, 2)
vr = Sheet1.Cells(5, 2)
zr = Sheet1.Cells(6, 2)
l = Sheet1.Cells(9, 2)
betah = Sheet1.Cells(10, 2)
gamah = Sheet1.Cells(11, 2)
prt = Sheet1.Cells(12, 2)
z0h = Sheet1.Cells(13, 2)
tetar = Sheet1.Cells(14, 2)
teta0h = Sheet1.Cells(15, 2)
g = Sheet1.Cells(16, 2)
For i = 1 To 10000
fiz = fi(zr, l, beta, gama)
fim = fi(z0m, l, beta, gama)
If zr / l > 10 ^ (-5) Then afi = Log(zr / z0m) + beta / l * (zr – z0m)
If zr / l < -10 ^ (-5) Then afi = Log(((1 – gama * zr / l) ^ (0.25) – 1) / ((1 – gama * zr / l) ^ (0.25) + 1)) – Log(((1 – gama * z0m / l) ^ (0.25) – 1) / ((1 – gama * z0m / l) ^ (0.25) + 1)) + 2 * Atn(1 – gama * zr / l) ^ (0.25) – 2 * Atn(1 – gama * z0m / l) ^ (0.25)
If -10 ^ (-5) < zr / l < 10 ^ (-5) Then afi = Log(zr / z0m)
us = k * Abs(vr) / afi
fihz = fih(zr, l, betah, gamah, prt)
fihz0h = fih(z0h, l, betah, gamah, prt)
If zr / l > 10 ^ (-5) Then afih = prt * Log(zr / z0h) + betah * (zr – z0h) / l
If zr / l < -10 ^ (-5) Then afih = prt * (Log(((1 – gamah * zr / l) ^ (0.5) – 1) / ((1 – gamah * zr / l) ^ (0.5) + 1)) – Log(((1 – gamah * z0h / l) ^ (0.5) – 1) / ((1 – gamah * z0h / l) ^ (0.5) + 1)))
If -10 ^ (-5) < zr / l < 10 ^ (-5) Then afih = prt * Log(zr / z0h)
tetas = k * (tetar – teta0h) / afih
l = (us) ^ 2 * tetar / k / g / tetas
Next
Sheet1.Cells(17, 2) = l
Sheet1.Cells(18, 2) = us
Sheet1.Cells(19, 2) = tetas
For j = 0 To 2000
z = j
If z = 0 Then z = 10 ^ (-6)
fiz = fi(z, l, beta, gama)
fim = fi(z0m, l, beta, gama)
If z / l > 0 Then sai = -beta / l * (z – z0m)
If z / l < 0 Then sai = Log(((1 + fiz ^ (-2)) * (1 + fiz ^ (-1)) ^ 2) / ((1 + fim ^ (-2)) * (1 + fim ^ (-1)) ^ 2)) – 2 * Atn(fiz ^ (-1)) + 2 * Atn(fim ^ (-1))
If z / l = 0 Then sai = 0
v = us / k * (Log(z / z0m) – sai)
Sheet2.Cells(j + 1, 1) = z
Sheet2.Cells(j + 1, 2) = v
Next
Sheet1.Cells(17, 2) = l
Sheet1.Cells(18, 2) = us
Sheet1.Cells(19, 2) = tetas
For j = 0 To 2000
z = j
If z = 0 Then z = 10 ^ (-6)
fihz = fih(z, l, betah, gamah, prt)
fihz0h = fih(z0h, l, betah, gamah, prt)
If z / l > 0 Then saih = -betah * (z – z0h) / prt / l
If z / l < 0 Then saih = 2 * Log((1 + fihz ^ (-1)) / (1 + fihz0h ^ (-1)))
If z / l = 0 Then saih = 0
teta = prt * tetas / k * (Log(z / z0h) – saih) + teta0h
Sheet3.Cells(j + 1, 1) = z
Sheet3.Cells(j + 1, 2) = teta
Next
End Sub
ضمیمه برنامه :
z0m=
0.0003
k=
0.4
gama m=
19.3
beta m=
6
v r=
4.4
zr=
10
l=
-10.712172
beta h=
7.6
gama h=
11.6
prt=
0.95
z0h=
0.000003
tetar=
teta0h=
G
9.81
l=
Us=
Tetas=
Teta =
UDF نیمرخ باد و دما ورودی الگو جهت صحت سنجی برای یک روز تابستان :
#include "udf.h"
DEFINE_PROFILE(profileVS, thread, n)
{
float x[3];
float y;
face_t f;
begin_f_loop(f, thread)
{
F_CENTROID(x,f ,thread);
y = x[1];
F_PROFILE(f , thread , n) = 0.556925*log(y/0.0003)-0.556925*log((1+sqrt(1+0.0084*y))*pow((1+pow((1+0.0084*y),0.25)),2)/8)+1.11385*atan(pow((1+0.0084*y),0.25))-0.8748;
}
end_f_loop(f ,thread)
}
DEFINE_PROFILE(profileTs, thread, n)
{
float x[3];
float y;
face_t f;
begin_f_loop(f, thread)
{
F_CENTROID(x,f ,thread);
y = x[1];
F_PROFILE(f , thread , n) =305.56-0.00399*log(y/0.000003)+0.00798*log((1+1.0526*sqrt(1+0.00505*y))/2.0526)- 0.01*y;
}
end_f_loop(f ,thread)
}
UDF نیمرخ باد و دما ورودی الگو برای یک روز تابستان :
#include "udf.h"
DEFINE_PROFILE(profileVS, thread, n)
{
float x[3];
float y;
face_t f;
begin_f_loop(f, thread)
{
F_CENTROID(x,f ,thread);
y = x[1];
F_PROFILE(f , thread , n) = 0.466*log(y/0.0003)-0.466*log((1+sqrt(1+0.0168*y))*pow((1+pow((1+0.0168*y),0.25)),2)/8)+0.932*atan(pow((1+0.0168*y),0.25))-0.732;
}
end_f_loop(f ,thread)
}
DEFINE_PROFILE(profileTs, thread, n)
{
float x[3];
float y;
face_t f;
begin_f_loop(f, thread)
{
F_CENTROID(x,f ,thread);
y = x[1];
F_PROFILE(f , thread , n) =299.947-0.00548625*log(y/0.000003)+0.011*log((1+1.0526*sqrt(1+0.0101048*y))/2.0526)-0.01*y;
}
end_f_loop(f ,thread)
}
UDF نیمرخ باد و دما ورودی الگو برای یک روز زمستان :
#include "udf.h"
DEFINE_PROFILE(profileVW, thread, n)
{
float x[3];
float y;
face_t f;
begin_f_loop(f, thread)
{
F_CENTROID(x,f ,thread);
y = x[1];
F_PROFILE(f , thread , n) = 0.4225*log(y/0.0003)+0.006966*y-20.898e-07;
}
end_f_loop(f ,thread)
}
DEFINE_PROFILE(profileTW, thread, n)
{
float x[3];
float y;
face_t f;
begin_f_loop(f, thread)
{
F_CENTROID(x,f ,thread);
y = x[1];
F_PROFILE(f , thread , n) =0.013156*log (y/0.000003)+0.0003*y+276.767-0.01*y ;
}
end_f_loop(f ,thread)
}
1 Government Accountability Office
2 SRP
3 US EPA
4 Bosanquet و Pearson
5 Sir Graham Sutlon
6 Hanna
7 ISC
8 CMAQ
9 ISC3
10 PERRYK
11Zhang Z
12Narasimha M
13Zhonghua W , Mujumdar AS
14 Criteria pollutants
15 Ambient air standards
16 Emission standards
17 Primary standards
18 Secondary standards
19 New source performance standards
20 Pressure gradient force
21- Flaring
22 Knock out drum
23- Burner
24 Diffusion
25 Advection
26Fick
27 -Fluent
28 -Star CD
29 -Phoenics
30 -Unstructured grid
31 – برای بردار قضیه دیورژانس به صورت زیر می باشد:
تعبیر فیزیکی مولفه در جهت بردار، که عمود بر سطح المان dA است، می باشد.
32 -Quadrature
33Pressure Based
34Density Based
35 SIMPLE: Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation
36 -Patankar and Spalding
37 – Flowchart
38Flow Inlet and Exit
39 Pressure Inlet
40 Velocity Inlet
41 Mass Flow Inlet
42 Pressure Outlet
43 Pressure Far Field
44 Outflow
45 Wall
46 User Define Function
—————
————————————————————
—————
————————————————————
تقدیم به ا
تقدیر و تشکر ب
چکیده ج
فهرست مطالب ه
فهرست شکل ها ی
فهرست جداول ک
کلیات 2
مروری بر مباحث نظری 21
تعیین معادلات حاکم بر پخش گازهای آلاینده در جو 41
تحلیل و تفسیر نتایج 81
نتیجه گیری و پیشنهادات 102
منـابع 105
Abstract