Динамика многофазных выбросов в приземном слое атмосферы

Оглавление
Введение
Глава 1. Теоретические и экспериментальные исследования движения промышленных выбросов в атмосфере. Обзор литературы
§ 1.1. Свойства атмосферы, определяющие движение выбросов
1.1.1. Приземной слой атмосферы
1.1.2. Числа Рейнольдса и Ричардсона
1.1.3. Полуэмпирическая теория турбулентного переноса в атмосфере
1.1.4 Распределение коэффициентов переноса с высотой в приземном слое
1.1.5. Теория турбулентного переноса на основе К-е-модели.
§ 1.2. Модели движения примесей
1.2.1. Диффузионное приближение
1.2.2. Гидростатические модели.
1.2.3. Методы расщепления по физическим процессам.
§ 1.3. Эксперименты но рассеянию примесей в приземном слое атмосферы
§ 1.4. Исследования движения горючих смесей
1.4.1. Химические закономерности горения газов
1.4.2. Физические закономерности горения газов
1.4.3. Модели горения
1.4.4. Эксперименты по горению облака углеводородов
1.4.5. Поражающие факторы при горении углеводородовоздушных смесей
1.4.6. Численное моделирование горения газовоздушных смесей
Выводы к* главе
6
18
18
19
21
23
26
29
31
31
36
44
48
50
5 I
52
54
56
57
62
63
2
Глава 2. Движение тяжелого газа в приземном слое атмосферы 65
§2.1. Теоретическая модель движения тяжелого газа 65
2.1.1. Постановка задачи 67
2.1.2. Моделирование турбулентного переноса 68
2.1.3. Основные уравнения 70
2.1.4. Начальные и граничные условия 72
§ 2.2. Численная схема решения задачи движения тяжелого газа методом крупных частиц 75
2.2.1. Численная реализация метода крупных частиц 76
2.2.2. Искусственная вязкость 79
2.2.3. Тестовые расчеты 80
2.2.4. Сравнение результатов численных расчетов с данными полевых экспериментов 81
§ 2.3. Движение тяжелого газа в приземном слое атмосферы 83
2.3.1. Влияние начальной формы и размеров облака на динамику тяжелого газа 83
2.3.2. Роль турбулентной вязкости в формировании облака тяжелого газа 89
2.3.3. Движение тяжелого газа при наличии наземных объектов 92
2.3.4. Движение тяжелого газа при наличии растительности 97
Выводы к главе 104
Глава 3. Аналитические решения задач диффузионного перемешивания парогазокапельных систем 105
§ 3.1. Диффузионное перемешивание горячего пара с газом 106
3.1.1. Постановка задачи 107
3.1.2. Решение задачи в автомодельной постановке 111
3.1.3.Анализ результатов 115
§ 3.2. Диффузионное перемешивание тумана с газом 126
3.2.1.1 Остановка задачи 126
3.2.2. Решение уравнений 129
3.2.3. А нал и з резул ьтато в 132
Выводы к главе 142
Глава 4. Численное моделирование движения промышленных выбросов, содержащих водяной пар и конденсат 143
§4.1. Динамика облака сухого пара 143
4.1.1. Постановка проблемы 144
4.1.2. Основные уравнения 145
4.1.3. Начальные и граничные условия 149
4.1.4. Численная реализация фазовых переходов 150
4.1.5. Эволюция температурных и концентрационных полей в облаке 152
4.1.6. Роль влажности окружающего воздуха в эволюции
облака 159
4.1.7. Роль начального влагосодержания в эволюции облака 162
§ 4.2. Динамика облака влажного пара 166
4.2.1. Постановка проблемы 167
4.2.2. Основные уравнения 168
4.2.3. I{анальные и граничные условия 169
4.2.4. Эволюция температурных и концентрационных полей в облаке 170
4.2.5. Роль параметров окружающего воздуха в эволюции
облака 174
4.2.6. Роль начального объема выбросов в эволюции облака 179
Выводы к главе 184
4
Глава 5. Численное моделирование горения углеводородных выбросов в атмосфере 3 85
§ 5.1. Постановка задачи 185
§ 5.2. Теоретическая модель 189
5.2.1. Основные уравнения 189
5.2.2. Начальные и граничные условия 193
§ 5.3. Численное решение системы уравнений 195
5.3.1. Численная схема 195
5.3.2. Сравнение с экспериментом 197
§ 5.4. Анализ результатов расчетов 199
5.4.1. Влияние наземных строений 200
5.4.2. Горение в канале 206
Выводы к главе 212
Основные результаты и выводы 213
Список цитируемой литературы 216
5
Введение
В последние десятилетия резко возрос интерес исследователей к проблемам распространения выбросов в атмосфере. Это вызвано сложной экологической обстановкой в мегаполисах, регионах с развитой металлургической, химической и нефтеперерабатывающей индустрией. Проблемы носят глобальный характер как в плане актуальности для всех промышленно развитых стран, так и в связи с глобальными изменениями климата. Сложность поставленных перед исследователями задач обусловлена трудно предсказуемым поведением атмосферы, многокомпонентным и многофазным составом выбросов, а также взаимодействием выбросов с составляющими атмосферного воздуха.
11аиболее эффективным методом исследований в этой области являются натурные эксперименты, которые позволяют получить основную информацию о состоянии атмосферы, характерных особенностях движения и взаимодействия выбросов с окружающим воздухом. В последние десятилетия были проведены серии экспериментов по рассеянию выбросов в атмосфере. Известны работы ММеНеп, ].\icQuaid и др. [182, 183, 185-1881. Но эти исследования требуют больших материальных затрат. Благодаря возросшим возможностям компьютерной техники, в настоящее время более рациональным и распространенным методом является численное моделирование динамики выбросов. В этом направлении широко известны теоретические работы школы Г. И. Марчу ка [1, 2, 97. 98, 111-113].
Теоретические модели в соответствии с масштабами расстояний и времени делятся на глобальные, региональные и локальные. Они описывают различные этапы движения примесей. 11аряду с общими подходами в описании движения выделяются и важные особенности в этих классах моделей. В частности, в локальных моделях следует особо подчеркнуть гот факт, что на начальном этапе существенная разность плотности смеси выбросов и плотности воздуха создает значительную силу плавучести,
6
которая действует на облако выбросов и формирует характер его движения. В других классах моделей примеси являются пассивным участником движения воздушных масс, формируемого метеорологическими условиями.
К выбросам, значительно отличающимся от атмосферного воздуха по плотности, относятся тяжелые выбросы 1188|. Их изучение вызывает особый интерес, так как они наиболее опасны с точки зрения экологии (движутся вдоль земной поверхности) и обладают сложной динамикой (с фазовыми превращениями и тепловыделением).
Еще большую опасность представляют выбросы, в составе которых содержатся горючие газы [99]. Углеводородные соединения с целью уменьшения удельного объема хранятся и транспортируются под высоким давлением. Многие из них тяжелее воздуха и при разгерметизации емкостей накапливаются около подстилающей поверхности. При перемешивании с атмосферным воздухом они образуют взрывоопасные смеси. Ущерб от техногенных аварий при возгорании образовавшейся смеси многократно возрастает.
Несмотря на большой интерес широкого круга исследователей, в этом направлении остается ряд нерешенных проблем. Все это требует глубокого изучения закономерностей распространения выбросов в атмосфере.
Целью работы является теоретическое исследование особенностей и эффектов начального этапа движения тяжелых многофазных выбросов в приземном слое атмосферы.
В соответствии с представленной целью в диссертационной работе рассмотрены следующие задачи.
1. Динамика формы облака тяжелых выбросов под действием силы плавучести с учетом ландшафта в трехмерной пос тановке.
2. Движение выбросов, содержащих сухой водяной пар.
3. Распространение выбросов, содержащих влажный водяной пар.
4. Диффузионное перемешивание парогазокапельных систем.
7
5. Движение взрывоопасных газовых выбросов с последующим возгоранием.
Научная новизна
На основе численных расчетов получена трехмерная картина начального этапа эволюции облака тяжелых выбросов длительностью в десятки секунд при произвольной конфигурации наземных объектов с учетом вертикального распределения коэффициентов переноса.
Изучена роль исходного влагосодержания выбросов в формировании плавучести облака. Установлены качественные эффекты в движении многофазных выбросов с большим влагосодержанием. В частности, с помощью таких выбросов получены микроклиматические условия с температурой более низкой, чем температура окружающего воздуха на 5-10 градусов.
Детально исследована роль диффузионного переноса пара и тепла в пограничной зоне облака выбросов с учетом фазовых переходов. Получены аналитические решения задачи в диффузионном приближении, на основе которых составлена карта режимов перемешивания выбросов с окружающим воздухом.
Исследованы процессы формирования трехмерного облака горючих газовых смесей с последующим возгоранием на основе двух предельных схем горения. Определены зоны теплового воздействия и разрушений при производственных авариях в зависимости от массы горючего газа в облаке выбросов, времени зажигания, конфигурации и размеров зданий.
Основные положения и результаты. выносимые на защиту
1. Трехмерная модель начального этапа распространения тяжелых выбросов в атмосфере, когда облако выбросов значительно отличается по плотности от окружающего воздуха и определяющим фактором являются силы плавучести. Результаты численных расчетов для начальных объемов
8
выбросов КГ - 10’ м’ со средней плотностью в два-три раза превышающей плотность воздуха, которые показывают, что, когда характерные линейные размеры облака по высоте и ширине одного порядка, начальная форма облака быстро «забывается», при этом поражаемая выбросом площадь подстилающей поверхности превышает начальное значение на два порядка; особенности ландшафта местности существенно замедляют растекание выбросов, при этом определяющим фактором является высота наземных объектов.
2. Результаты численных расчетов динамики выбросов, содержащих водяной пар и конденсат в трехмерной постановке задачи, которые показывают, что в зависимости исходного влагосодержания и температуры выбросов, а также от погодных условий (температуры и влажности окружающего воздуха) фазовый переход воды приводит к качественным эффектам в сложившихся гидродинамических и температурных полях. Установлено, что в подавляющем большинстве случаев, когда исходный выброс представляет собой перегретый пар, образовавшаяся двухфазная смесь впоследствии рассеивается в атмосфере (оседания на подстилающую поверхность практически не происходит). В случае, когда выброс содержит влажный пар, при перемешивании с окружающим воздухом образуется тяжелая смесь, которая впоследствии оседает на подстилающую поверхность.
3. Решения задач о диффузионном перемешивании парогазокапельных систем в автомодельной постановке, которые показывают, что в зависимости от начальных температур перемешивание чистого пара и газа может происходить в двух режимах, а именно, с образованием промежуточной зоны, содержащей конденсат, и без образования мой зоны. В случае парогазокапельной и парогазовой смесей наблюдаются режимы, когда перемешивание сопровождается образованием «температурных ям». Когда парогазокапельная система является более холодной, происходит «всасывание» пара из парогазовой смеси.
9
4. Результаты численных расчетов распространения выбросов, содержащих углеводородные соединения, в открытой атмосфере с последующим возгоранием при наличии наземных объектов различных размеров и конфигураций. Сравнительный анализ двух предельных схем реакций окисления, принятых при расчетах показал, что при описании температурных эффектов они дают близкие результаты. Однако когда возгорание происходит в ограниченном наземными объектами пространстве, вторая схема диффузионного горения в плане описания полей давления дает заниженный результат.
Достоверность
Достоверность результатов диссертации основана на корректном применении основных законов и уравнений механики сплошных сред, на проведении тестовых расчетов и сравнении результатов расчетов с экспериментальными данными, а также с результатами расчетов других авторов.
Научная и практическая значимость результатов работы
Полученные в работе результаты могут использоваться при построении относительно простой экспертной системы прогнозирования, оценки ущерба и принятия мер защиты при техногенных авариях и природных катастрофах с выбросом опасных для окружающей среды многофазных смесей.
Общие закономерности движения выбросов в атмосфере расширяют и углубляют теоретические представления о механизмах фазовых переходов в атмосфере.
Результаты работы отражены в спецкурсе «Динамика атмосферных выбросов», читаемом автором на старших курсах физико-математического факультета Бир1 'СПА.
10
Л пробация работы.
Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на следующих конференциях и научных школах:
Вторая Всероссийская научная конференция «ЭВТ в обучении и моделировании» (г. Бирск, 9-10 июня 2001 г.);
— Международная конференция «Моделирование, базы данных и информационные системы для атмосферных наук» (г. Иркутск, 25-29 июня, 2001 г.)
XVI сессия Международной школы по моделям механики сплошной среды (г. Казань, 27 июня - 3 июля 2002 г.)
— Региональная школа-конференция для студентов, аспирантов, молодых ученых по физике и математике (г. Уфа, БГУ, 2002 г.)
— Международная научная конференция «Спектральная теория дифференциальных операторов и родственные проблемы» (г. Стерлитамак, 24 -28 июня 2003 г.)
— Третья Всероссийская научно-теоретическая конференция «ЭВТ в обучении и моделировании» (г. Бирск, 21-22 мая 2004 г.)
Международная конференция по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды, ЕК VIК О М18-2004 (г. Томск, 16-22 июля, 2004 г.)
— 3-я Международная научная школа-конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (г.Алушта, 19-25 сентября 2005 г.)
IV научно-методическая конференция «ЭВТ в обучении и моделировании» (г.Бирск, 16-17 декабря 2005 г.)
Мавлютовкие чтения: Российская научно-техническая конференция, посвященная 80-летию со дня рождения чл.-корр. РАН Р.Р.Мавлютова (г.Уфа, 2006 г.)
— Измерение, моделирование и информационные системы для изучения окружающей среды ЕИУ1КОМ18-2006. (г.Томск, 1-8 июля 2006 г.)
— (X Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (г.11ижний Новгород, 22-28 августа 2006 г.)
— IV Российская национальная конференция по теплообмену (г.Москва, 23-27 октября 2006 г.)
V Всероссийская научно-методическая конференция «ЭВТ в обучении и моделировании» (г. Бирск, 20-21 апреля 2007 г.)
— Уфимская международная математическая конференция, посвященная памяти А.Ф. Леонтьева (г.Уфа, 1-5 июня, 2007 г.)
Всероссийская конференция «Механика и химическая физика сплошных сред» (г.Бирск, 27-30 июня 2007 г.)
— Международная конференция «Потоки и структуры в жидкостях» (г.Санкт-Петербург, 2-5 июля 2007 г.)
Результаты работы докладывались на научных семинарах в Институте механики УПЦ РАН под руководством академика Р.И.Нигматулина и член-корреспондента РАН М.А.Ильгамова, на научных семинарах кафедры прикладной математики, информатики и механики БирГСПА и кафедры прикладной математики и механики СГПА под руководством член-корреспондента АН РБ профессора В.Ш. Шагапова.
Публикации.
Основной материал диссертации опубликован в работах.
1. Баянов И.М., Мухаметшин С.М., Гильмуллии М.'З. Движение тяжелого смога вдоль подстилающей поверхности./ Вопросы математического моделирования и механики сплошной среды: сб. науч. трудов. Под ред.
С.М. Усманова -Бирск. БирГПИ, 2001. Вып. 5. -С.78.
2. Баянов И.М., Мухаметшин С.М., Гильмуллии М.З. Движение тяжелого смога вдоль подстилающей поверхности произвольной формы./ Материалы второй Всероссийской научно-теоретической конференции
12
«ЭВ'Г в обучении и моделировании». Часть 1. -Бирск. 9-10 июня 2001 г. -С. 8.
3. Баянов И.М., Мухаметшин С.М., Гильмуллнн М.З. Движение тяжелого смога вдоль подстилающей поверхности./ Материалы Международной конференции «Моделирование, базы данных и информационные системы для атмосферных наук», -Иркутск. 25-29 июня, 2001. -С. 28.
4. Баянов И.М. Методические проблемы механики жидкости и газа./ Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Методология и методика преподавания основ наук в современных условиях». -Бирск. 14-15 июня 2002 г., ч.П. -С.79-80.
5. Баянов И.М., Гильмуллин VI.3. Численное моделирование движения тяжелого газа методом крупных частиц./ Материалы XVI сессии Международной школы по моделям механики сплошной среды, г. Казань, 27 июня - 3 июля 2002 г., Груды математического центра им.
Н.И.Лобачевского. Т. 16. Модели механики сплошной среды. -Казань. Изд-во Казанского математического общества, 2002. -С. 101-104.
6. Баянов И.М., Гильмуллин М.З., Шагапов В.111. Расчет растекания
тяжелого газа вдоль земной поверхности по трехмерной модели.// Прикладная механика и техническая физика, 2003, Т. 44, №6, -С. ПО-ПО.
7. Баянов И.М., Гильмуллин М.З. Движение тяжелого газа при наличии
земных объектов./ Труды международной научной конференции «Спектральная теория дифференциальных операторов и родственные проблемы». -Стерлитамак. 24-28 июня 2003, Т. 3, -С. 34-38.
8. Баянов И.М., Каримов А.Ф. Модель тяжелого газа с учетом
теплопроводности./ Груды международной научной конференции «Спектральная теория дифференциальных операторов и родственные проблемы» 24-28 июня 2003. -Стерлитамак, Т.З,, -С.38-41.
9. Баянов И.М., Гильмуллин М.3., Шагапов В.Ш. Расчет растекания
тяжелого газа вдоль земной поверхности по трехмерным уравнениям
методом крупных частиц.// Вестник БирГПИ. Под ред. С.М. Усманова, вып. 1, -Бирск. 2003. -С.53-58.
10. Баянов И.М., Гильмуллии VI.3., Шагапов В.Ш. Движение тяжелого газа в штиль при наличии препятствий./ Материалы третьей Всероссийской научно-теоретической конференции «ЭВТ в обучении и моделировании». -Бирск. 21-22 мая 2004. Часть 1. -С. 18.
11. Баянов И.М., Гильмуллии М.З. Численное решение задачи защиты местности от облака тяжелого газа с помощью наземных объектов и флоры./ Материалы Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды, ЕМ\/ПЮМ1Б-2004. -Томск. 16-22 июля, 2004 г. -С. 73.
12. Баянов И.М., Каримов А.Ф. Влияние теплообмена на движение тяжелых газов в приземном слое атмосферы./ Материалы Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды, ЕМ\ЧКОМ1$-2004. -Томск. 16-22 июля, 2004.-С. 73.
13. Баянов И.М., Хамидуллин И.Р. Динамика водяного пара в приземном слое атмосферы./ 3-я Международная научная школа-конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики». Тезисы докладов. -Алушта. 2005. -С.92-93.
14. Баянов 14.М., Хамидуллин И.Р. О рассеянии водного тумана при диффузионном перемешивании с атмосферным воздухом./ ЭВТ в обучении и моделировании: Сб. научн. трудов: в 2 ч. Ч. 1. Отв. ред. С.М. Усманов. IV научно-методич. конф. 16-17 декабря 2005. -Бирск. БирГСПА, 2005. - С. 183-194.
15. Баянов И.М., Хамидуллин 14.Р. О рассеянии аэрозоля при диффузионном перемешивании с газом./ VI а вл ютов к не чтения: Российская научно-техническая конференция, посвященная 80-летию со дня рождения чл.-
14
корр. РАИ Р.Р.Мавлютова: сб. трудов. -Уфа. УГАТУ, 2006. Том 4. -
С. 18-23.
16. Khamidullin I.R., Bayanov I M. Dispersion of industrial pollutions including condensate in surface zone of atmospheric boundary layer./ ENVIROM1S-
2006. Program and Abstracts. -Tomsk. 2006. -P.62-63.
17. Хамидуллин И.Р., Баянов И.М. Распространение промышленных выбросов, содержащих конденсат, в приземном слое атмосферы./ Сборник трудов международной конференции «Измерение, моделирование и информационные системы для изучения окружающей среды». Под общей редакцией проф. Е.П. Гордова. -Томск. Издательство Томского ЦНТИ, 2006. -С.83-87.
18. Баянов И.М. Динамика многофазных промышленных выбросов в приземном слое атмосферы./ IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. Аннотации докладов. Изд. ИНГУ им.
Н.И.Лобачевского. -11ижний Новгород. 2006. Т.2. -С.26-27.
19. Баянов И.М., Хамидуллин И.Р. Движение промышленных выбросов, содержащих конденсат, в приземном слое атмосферы./ Груды четвертой российской национальной конференции по теплообмену. В 8-ми томах. Том 5. -М. Издательский дом МЭИ, 2006. - С.45-48.
20. Баянов И.М., Хамидуллин И.Р., Шагалов В.Ш. Поведение облака выбросов с большим влагосодержанием в приземном слое атмосферы.// Теплофизика высоких температур, 2007, Т. 45, N 2. -С.267 - 276.
21. Баянов И.М., Хамидуллин И.Р., Шагапов В.Ш. Об эволюции облака аэрозоля при диффузионном перемешивании с газом.// Теплофизика высоких температур. 2007, Т. 45, №5. -С.756-762.
22. Баянов И.М., Хамидуллин И.Р. Численное моделирование горения облака пропана в городском каньоне. / Всероссийская научно-методическая конф. «ЭВТ в обучении и моделировании» Сб. научи, трудов. / Отв. ред. С.М. Усманов. 20-21 апреля 2007. -Бирск. БирГСПА,
2007. -С.24-28.
15
23. Хамидуллин И.Р., Наянов И.М. Распространение парогазокапельных выбросов в приземном слое атмосферы./ Материалы конференции ВЮ1СФ-13, 29 марта-4 апреля, 2007, -Ростев-на-Дону.
24. Баянов И.М., Хамидуллин И.P., IВагапов В.Ш. Движение выбросов, содержащих водяной конденсат, в приземном слое атмосферы.// Известия АН. Сер. Механика жидкости и газа. 2007, N6, С. 1 59-171.
25. Баянов И.М., Каримов А.Ф., Шагагюв В.Ш. О диффузионном перемешивании пара с газом.// Теплофизика и аэромеханика. 2007, Т. 14, N3,C.401-411.
26. Баянов И.М., Хамидуллин И.Р. О возможности управления микроклиматом.// Автоматика и телемеханика. 2007, N12. -С.31-41.
27. Баянов И.М., Хамидуллин И.Р. Динамика горения облака газовоздушной смеси в приземном слое атмосферы.// Обозрение прикладной и промышленной математики. 2007, Т. 14, №2,-0.264-265.
28. Баянов И.М., Хамидуллин И.Р. Численный расчет горения углеводородов в атмосфере./ Сб. материалов Уфимской международной математической конференции, посвященной памяти А.Ф. Леонтьева: -Уфа. 2007. Т.1. -С.32-33.
29. Баянов И.М., Хамидуллин И.Р.Дииамика аварийных выбросов горючих газов атмосфере./ Сборник трудов Международной конференции «Потоки и структуры в жидкостях» ~СГ1б. 2007, -С. 171-174.
30. Bayanov I.M., Khamidullin I.R. Numerical modeling of dynamics of propane escape accompanied by burning in the atmospheric surface laver./ Abstracts of International conférence on Computational Information Technologies for Environmenta! Sciences CITES-2007. Tomsk, 2007, p.36.
31. Баянов И.М. Динамика выбросов в приземном слое атмосферы.// 'Груды института механики. -Уфа. Изд. «Гилем», Институт механики УНЦ РАИ. 2007. Вып.5. -С. 101-107.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из
введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации
составляет 235 страниц, включая 55 рисунков, 5 таблиц и список литературы, состоящий из 204 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность академику Р.И.Нигматулину, в рамках научной школы которого проводились исследования и под влиянием которого сформировались научные взгляды автора.
Автор признателен ректору БирГСПА профессору С.М.Усманову и директору Института механики УНЦ РАН С.Ф.Урманчееву за многолетнюю поддержку научных исследований и полезные советы.
Автор также благодарит своих аспирантов и всех сотрудников Проблемной лаборатории математическою моделирования и механики сплошных сред АН РБ при БирГСПА за полезные обсуждения и техническую поддержку.
Автор выражает искреннюю благодарность за многолетнее сотрудничество и плодотворные обсуждения результатов исследований своему научному консультанту член-корреспонденту АН РБ профессору В.Ш.Шагапову, которого автор считает учителем и наставником.
17
Глава 1. Теоретические и экспериментальные исследования движения промышленных выбросов в атмосфере. Обзор литературы
Изучением движения выбросов в атмосфере занимаются многие поколения исследователей с тех пор, как возникла проблема загрязнения воздуха в промышленных регионах многих стран мира. В последние десятилетия с развитием измерительной техники стало возможным проводить широкомасштабные полевые эксперименты с регистрацией в реальном времени целого комплекса параметров - метеорологических условий, концентрации примесей и т.д. [164, 165, 183, 187]. В них моделировались различные конфигурации наземных объектов и особенности ландшафта при различных погодных условиях. Такие проекты позволяют получить наиболее точную информацию о движении примесей. С развитием вычислительной техники сейчас становится возможным численное моделирование движения примесей с достаточной точностью на персональных компьютерах [1, 2, 97, 98, 111-113]. Адекватность этих моделей достигается корректировкой параметров при сравнении результатов расчетов с результатами измерений в полевых экспериментах.
В данной главе представлен анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований движения выбросов в атмосфере, который позволяет представить совокупность проблем, возникающих на пути исследователей.
§ 1.1. Свойства атмосферы, определяющие движение выбросов
Движение выбросов в атмосфере зависит как от параметров атмосферы, гак и параметров самих выбросов. Атмосфера представляет собой достаточно сложный для математического описания объект [100, 129]. Это связано со сложностью состава, сложностью движения и большим количеством
18
параметров, определяющих состояние атмосферы. Примеси антропогенного происхождения имеют химические и физические параметры, изменяющиеся в самых широких диапазонах значений. Это приводит к качественным изменениям характера движения этих примесей в атмосфере.
Рассмотрим характеристики атмосферы, оказывающие основное влияние на движение выбросов [100].
1.1.1. Приземной слой атмосферы
Одним из важных характеристик, определяющих устойчивость состояния атмосферы, является вертикальный градиент температуры
Для простейших оценок количественных значений этой величины рассматривается частица сухого (не содержащего водяной пар) воздуха единичной массы. При исследовании вопроса об изменении температуры в этой адиабатически (без теплообмена с окружающей средой) поднимающейся частице сухого воздуха используется первое начало термодинамики и основное уравнение статики атмосферы, которое определяет изменение давления с высотой. Тогда изменение температуры воздушной частицы, отнесенное к единице высоты, при адиабатическом процессе равно
Здесь ТьТе значения температуры внутри и вне частицы воздуха, д-ускорение свободного падения, ср - удельная теплоемкость воздуха при
постоянном давлении. Соотношение (1.1) показывает, что при адиабатическом подъеме воздушной частицы температура ее всегда падает, что связано с расходом внутренней энергии на работу расширения.
(1.1)
19
Сухоадиабатическим градиентом называется падение температуры при адиабатическом подъеме сухой воздушной частицы, отнесенное к единице высоты:
7а = -
Из сравнения (1.1) и (1.2) получаем
<1Т{
171,- (1-2)
Л.
Ъ ср Тс ■ О-3)
В реальной атмосфере различие в температурах воздушной частицы и окружающей среды невелико (разность 1} -Тс не превышает 5-10°С). По этой причине отношение можно считать равным единице (Т:,/Те % Г), а
сухоадиабатический градиент — постоянной величиной:
7* = V (1-4)
С учетом уравнения Майера ср = су + Яс,
, _ ~ 9 _ X ~ 1 9
Ъ Ср Яс X К- 0-5)
Подставляя значения \, д и Яс получаем
7а = 0,0098 °С/м = 0,98 °С/100 м ^ 6)
Приближенно можно считать «1 °С/100 м, т.е. температура
адиабатически поднимающейся сухой воздушной частицы падает примерно на 1 °С при подъеме на каждые 100 м высоты.
Изменение с высотой температуры адиабатически поднимающейся воздушной частицы графически изображается в осях координат температура-высота в виде прямой линии. Она носит название сухой адиабаты или кривой состояния сухой воздушной частицы.
Закономерности физических процессов, происходящих в приземном слое, во многом отличаются от закономерностей этих процессов в других слоях атмосферы. Состояние приземного слоя самым тесным образом связано с состоянием земной поверхности. Метеорологические величины
20
претерпевают в приземном слое резкие изменения с высотой и во времени. Вертикальные градиенты метеорологических величин в этом слое на один— два порядка выше, чем в других слоях; в то время как в свободной атмосфере абсолютная величина вертикального градиента температуры 7а, как показано выше, имеет порядок 1°С/100 м, в приземном слое модуль 7 в десятки раз
больше 7а .
Оценки показывают, что высота, на которой значение вертикального градиента температуры выравнивается со значением в свободной атмосфере, составляет величину Л = 100-150 м. Слой атмосферы, заключенный между земной поверхностью и высо той к, называют приземным слоем атмосферы (над водной поверхностью — приводным слоем атмосферы). Наиболее важная закономерность этого слоя выражена уравнением:
, дТ п
~Срр1ь = ■ О-7)
- турбулентный поток тепла в пределах приземного слоя практически (с точностью около 10%) не изменяется с высотой — на любой высоте этот поток равен тому потоку Со, который сформировался в непосредственной близости к земной поверхности. Это свойство приземного слоя носит название квазистационарности.
Большинство источников выбросов расположено в приземном слое атмосферы. Следовательно, начальный этап развития облака выбросов связан именно с этим слоем. По этой причине особо важными для начального этапа является состояние приземного слоя.
1.1.2. Числа Рейнольдса и Ричардсона
Атмосфера находится в непрерывном движении [97]. Отличительная особенность атмосферных движений заключается в том, что движение отдельных частиц воздуха носит неупорядоченный, хаотический характер, называемый турбулентным. Турбулентное движение атмосферы оказывает большое влияние на состояние атмосферы и физические процессы,
21