The effects of atmospheric stability on pollutant dispersion : analysis of the flow and the concentration field.

The study on how a generic pollutant is transferred in the atmosphere in non-neutral conditions is extremely important. Despite this, no laboratory experiments have been performed so far. The purpose of the present work is to try to fill this lack of knowledge. The experimental campaign has been performed at the wind tunnel of the EnFlo Lab at University of Surrey. A L-shaped source is placed inside a full developed turbulent boundary layer at different stability conditions. Measurements of concentration, temperature and velocity have been performed simultaneously in the same control volume. A characterization of the flow field has been performed as a preliminary task, analyzing the mean and the turbulent components. Expected characteristics of turbulence suppression by means of stratification have been observed. Moreover, length scales and time scales approach have been computed with the Eulerian. A good agreement has been observed with the boundary layers produced for this work and other boundary layers analyzed in previous studies at the EnFlo Lab. The most innovative results have been obtained by analyzing the concentration field and the coupling between this and the flow field. Having performed experiments with two source sizes and two different stratifications, among the neutral case used as reference, it has been possible to evaluate the respective effects on dispersion. The concentration has been studied up to the fourth order statistical moment. A comparison between the probability density function of concentration and the gamma distribution has shown good agreement. Moreover, turbulent fluxes and turbulent diffusion coefficients have been computed by means of the standard gradient diffusion hypothesis. With these tools, profiles of Schmidt number for different stability conditions have been computed. The work has continued by analyzing the plume spread and its models. The concentration has been studied also by means of spectra from which it has been possible to compute the value of concentration dissipation rate and finally the mixing times at different locations further from the source. In the final part of the work, an analytical solution for the standard deviation of concentration has been computed.

Nonostante l'importanza, nonché il crescente interesse, dello studio di come un inquinante generico è trasportato nell’atmosfera in condizioni non neutre, non sono ad oggi disponibili degli esperimenti il laboratorio che trattino questo argomento. Lo scopo di questo lavoro è stato proprio cercare di colmare questa lacuna, studiando la dispersione di un inquinante in un’atmosfera stabile. Una campagna sperimentale è stata svolta presso l’EnFlo Lab dell’università del Surrey (UK). All’interno della galleria del vento, una sorgente elevata dal suolo è stata immersa in uno strato limite turbolento ben sviluppato, a diverse condizioni di stabilità. In questo contesto, sono state effettuate delle misurazioni di concentrazione, velocità e temperatura contemporaneamente, nello stesso volume di controllo. E’ stata svolta un’analisi preliminare con lo scopo di caratterizzare il campo di moto tramite uno studio delle componenti medie e fluttuanti del campo. Sono state verificate le condizioni di soppressione della turbolenza per mezzo della stabilità. Sono state inoltre valutate le scale di lunghezza e di tempo euleriane. In questa fase, si è osservato un buon accordo con studi precedenti svolti nella stessa struttura. Uno studio innovativo è stato svolto sul campo di concentrazione e il suo accoppiamento con il campo di moto. L’effetto delle diverse intensità di stabilità e delle diverse condizioni della sorgente è stato valutato. Il segnale di concentrazione è stato analizzato fino al quarto ordine per quanto riguarda i momenti statistici. Il confronto tra la funzione di distribuzione di probabilità del segnale di concentrazione e la distribuzione gamma ha prodotto un risultato positivo. Il lavoro è continuato con uno studio sui flussi turbolenti e sui coefficienti di diffusione al variare della stabilità. Tramite questi strumenti, è stato possibile valutare i profili verticali del numero di Schmidt turbolento. Una valutazione dell’apertura del pennacchio è stata fatta in parallelo tra i dati sperimentali e i modelli disponibili in letteratura. Tramite l’impego dell’analisi spettrale è stato possibile uno studio dettagliato sui processi diffusivi in azione. Nella parte finale del presente lavoro, è fornita una soluzione analitica per il momento secondo del segnale di concentrazione.