Valutazione sperimentale del moto atmosferico su superfici liquide

Sampling pollutants above passive areal surfaces is the first fundamental step required to simulate their behaviour in the atmosphere. The same procedure is used in cases where the pollutant under consideration is odour concentration, through the application of dynamic olfactometry. In such cases, sampling is performed using devices that allow, by confining a portion of the surface source and insufflating neutral air, to obtain an air sample enriched by the pollutant emitted from the surface, which can then be analysed chemically or by dynamic olfactometry. The aim of this work is to obtain experimental information on the atmospheric behaviour of air above liquid passive areal sources. In order to reach this goal, a series of anemometric measurements were carried out, in particular using a three-dimensional ultrasonic anemometer that is usually operated for classical meteorological applications. These kind of measurements are not to be found in the scientific literature. Consequently, a series of experimental campaigns were carried out in order to enrich the already existing information regarding the motion and turbulence of the wind above passive liquid surfaces. By means of a special experimental setup, which allowed high-frequency (10 Hz) anemometric measurements to be carried out near the gas-liquid interface, different experimental contexts were investigated: preliminary tests at Polimi, tests on a domestic swimming pool and tests on the disinfection tank of a waste water treatment plant. The preliminary tests showed that it is not possible to use another, less accurate instrument (a weather station with a cup anemometer) in conjunction with the sonic anemometer, while the other tests differed only in the location and size of the two tanks, i.e. the swimming pool and the disinfection tank. By processing the data obtained from the tests performed above the two liquid surfaces, it was possible to assess how the meteorological variables of interest for the experimental study vary: the velocity magnitude and its direction, friction velocity, surface roughness and turbulent kinetic energy. In particular, attention was focused on how these quantities, excluding direction, vary with altitude within the first atmospheric layers, in a thickness ranging from about 1.6m to 0.22m. The study of wind direction, on the other hand, only involved data obtained from measurements taken at the free surface of the liquid surface (0.22m). This provided a better understanding of how the wind direction actually behaves at the altitudes at which sampling is carried out, or rather within the atmospheric layer that is confined by the sampling instruments. Thus, one of the main results of this study was obtained: the ideal behaviour of both sampling devices is far from approximating the atmospheric motion of the air, but between the two classes of instruments, the wind tunnel seems to simulate a behaviour closer to that of the atmosphere. Finally, through the evaluation of the friction velocity and turbulent kinetic energy profiles, it was concluded that it is possible to carry out measurements within a vortex and moreover it was experimentally confirmed that there is indeed less energy available for stripping and thus for emission of pollutants within this.

Il campionamento degli inquinanti al di sopra di superfici areali passive è il primo fondamentale passaggio necessario per simularne il comportamento in atmosfera. Tale procedimento è invalso nel caso in cui l’inquinante considerato sia la concentrazione di odore, tramite l’applicazione dell’olfattometria dinamica. In questi casi il campionamento viene effettuato tramite dei dispositivi che permettono, confinando una porzione della sorgente superficiale e insufflando aria neutra, di ottenere un campione di aria arricchito dall’inquinante emesso dalla superficie, che potrà poi essere analizzato chimicamente o tramite olfattometria dinamica. L’obiettivo di questo lavoro è ottenere informazioni sperimentali relative al comportamento in atmosfera dell’aria al di sopra di sorgenti areali passive liquide. A tale scopo si sono effettuate una serie di misurazioni anemometriche, in particolare utilizzando un anemometro ultrasonico tridimensionale che solitamente viene operato per applicazioni metereologiche classiche. Misure di questo tipo non sono presenti nella letteratura scientifica: di conseguenza si è proceduto a una serie di campagne sperimentali, in maniera tale arricchire le informazioni già esistenti riguardo il moto e la turbolenza del vento al di sopra di superfici liquide passive. Per mezzo di un particolare setup sperimentale, che ha permesso di svolgere misure anemometriche ad alta frequenza (10 Hz) vicino all’interfaccia gas-liquido, sono stati indagati differenti contesti sperimentali: prove preliminari presso il Polimi, prove sulla piscina domestica e prove sulla vasca di disinfezione di un impianto di depurazione acque. Le prove preliminari hanno permesso di comprendere che non fosse possibile utilizzare un altro strumento meno preciso (una centralina meteo con anemometro a coppe) insieme all’anemometro sonico, mentre le altre prove si differenziano solamente in funzione della località e delle dimensioni delle due vasche, ovvero la piscina e la vasca di disinfezione. Elaborando i dati ottenuti dalle prove effettuate al di sopra delle due superfici liquide è stato possibile valutare come variano le variabili metereologiche di interesse per lo studio sperimentale: il modulo della velocità e la sua direzione, la velocità di frizione, la rugosità superficiale e l’energia cinetica turbolenta. In particolare si è concentrata l’attenzione su come queste grandezze, esclusa la direzione, variano con la quota all’interno dei primi strati atmosferici, in uno spessore che va da circa 1.6m fino a 0.22m. Lo studio della direzione del vento invece ha interessato solamente i dati ottenuti dalle misure effettuate al pelo libero della superficie liquida (0.22m). In questo modo si è compreso meglio come si comporta effettivamente la direzione del vento alle quote a cui vengono effettuati i campionamenti, o meglio all’interno dello strato atmosferico che viene confinato dagli strumenti di campionamento. Si è così ottenuto uno dei risultati principali di questo studio: il comportamento ideale di entrambi gli strumenti di campionamento è lontano da approssimare il moto atmosferico dell’aria ma tra le due classi di strumenti la wind tunnel sembra simulare un comportamento più vicino a quello atmosferico. Infine, attraverso la valutazione dei profili della velocità di frizione e dell’energia cinetica turbolenta, si è arrivati alla conclusione che è stato possibile effettuare misure all’interno di un vortice di ricircolazione e si è confermato sperimentalmente che all’interno di questo ci sia effettivamente meno energia disponibile per lo strippaggio e quindi per l’emissione di inquinanti.