Negatively buoyant plume dispersion: a comparison of simple mathematical models, hydraulic simulations and field data

Summary The ground-level concentration distribution for negatively buoyant gases of various densities, emitted from stacks with heights, diameters and exit velocities varying in the typical range of geothermal drilling activities, was studied by means of hydraulic simulations performed in neutral conditions at different flow speeds. These measurements, and a few others taken in the field in nearly neutral and unstable atmosphere during tests of CO₂ release from a geothermal well, were compared with the values expected from a Gaussian formula corrected for denser-than-air, tilted plumes. For calculating theoretical concentrations, three couples of horizontal and vertical plume standard deviations as functions of downwind distance from source were employed: those given by Singer-Smith and Briggs and a third one obtained by our group during a previous water channel experiment. Also the maximum ground-level concentration and its distance from the source were measured in each simulation and compared with the prediction of our Gaussian formula, as well as with a best-fit expression given by Meroney. The concentration pattern χ(x, y, 0) given by the corrected Gaussian formula proved to be in good agreement with experimental data, especially in association with Singer-Smith's or our sigmas. When only maximum g.l. concentrations are needed, also the simple formula suggested by Meroney can give a good approximation.

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Riassunto Una serie di simulazioni in vasca senza stratificazione, condotte a varie velocità della vena idraulica, ha permesso di studiare la distribuzione di concentrazione al suolo dovuta a gas con varie densità maggiori di quella dell'aria, emessi da ciminiere con altezze, diametri e velocità di efflusso variabili entro intervalli tipici delle attività di perforazione geotermica. Queste misure, ed alcune altre ottenute in campo in condizioni di atmosfera circa neutra e instabile durante prove di rilascio di CO₂ da un pozzo geotermico, sono state confrontate con i valori attesi in base ad una formula gaussiana corretta per pennacchi inclinati. Nel calcolo delle concentrazioni teoriche si sono impiegate tre diverse coppie di espressioni per le deviazioni standard orizzontale e verticale del pennacchio: quelle date da Singer-Smith e Briggs ed una terza ottenuta dal nostro gruppo durante una precedente esperienza in canale idraulico. In ciascuna prova si è misurata anche la concentrazione massima al suolo e la sua distanza dalla sorgente; queste quantità sono state raffrontate con le previsioni della formula gaussiana e con una espressione empirica proposta da Meroney. Il campo di concentrazione χ(x, y, 0) dato dalla formula gaussiana corretta è risultato in buon accordo con le misure, specialmente se associato alle sigma di Singer-Smith o alle nostre. Quando sia sufficiente una valutazione della concentrazione massima, anche la semplice formula di Meroney può dare una buona approssimazione.