Математическое моделирование физических характеристик атмосферных образований при аварийных ситуациях разной природы и с рабочими телами разных видов является составной частью более общей проблематики математического моделирования в экологии, развитие которой в последние годы получило мощный импульс [18–23]. Эта отрасль знаний — достаточно обширная область исследования и по выбору объектов моделирования, и по набору методов, и по спектру решаемых задач. Предлагаемые читателю в этом разделе примеры построения математических моделей атмосферных выбросов не претендуют на охват всех аспектов моделирования поставленной проблемы. Они обращают внимание на наиболее продуктивный и перспективный, по нашему мнению, метод — моделирование с помощью дифференциальных уравнений.

Этот метод, как и любой другой, безусловно, обладает своими достоинствами и недостатками. В частности, дифференциальные или разностные уравнения позволяют описывать динамику процессов в режиме реального времени, тогда как вариационные методы, как правило, предсказывают лишь конечное стационарное состояние системы или сообщества. Но на пути имитаций физических процессов с помощью уравнений возникают трудности как принципиального, так и технического характера.

Принципиальная трудность состоит в том, что не существует систематических правил вывода самих уравнений. Процедуры их составления основываются на полуэмпирических закономерностях, правдоподобных рассуждениях, аналогиях и искусстве составителя модели. Технические трудности связаны с высокой размерностью задач по моделированию сообществ. Для существенно многовидовых сообществ, потребляющих многочисленные ресурсы, требуется подбор сотен коэффициентов и анализ систем из десятков уравнений. При работе с системами из десятков и более дифференциальных уравнений оказывается, что проследить причинные связи для отладки, исключения ошибок и интерпретаций результатов в системе уравнений также сложно, как и в реальной экосистеме. В конце концов, оказывается, что исследователь не может быть уверенным, чему он обязан полученными результатами: реальному положению вещей, ошибкам в исходных данных, недочетам алгоритма или еще чему-либо. Модели, основанные на экстремальных принципах, как правило, преодолевают тупиковую ситуацию размерности, но сохраняют произвол в выборе самих исходных принципов [173].

В общем случае важнейшими этапами аналитического моделирования является формирование концепции модели и составление уравнений, описывающих поведение системы; при этом происходит упрощение реальности, которое, однако, не должно влиять на наиболее существенные свойства реальной системы. Затем идет параметризация, т. е. определение количественных значений параметров. Осуществление этой задачи возможно тремя способами:

— получением предварительных оценок значений параметров на основе наблюдений;

— нахождением комбинаций параметров, отвечающих моделируемой ситуации, базирующимся на методах оптимизации параметров;

— оценкой роли параметров модели с помощью анализа чувствительности, целью которого является определение того, как модель реагирует на изменение значений параметров и, как следствие, того, насколько правильно оценены параметры.

Следующий шаг аналитического моделирования — имитация, т. е. получение с помощью ЭВМ решения модельных уравнений при фиксированных значениях параметров и начальных условиях. И, наконец, испытание модели или, другими словами, ее верификация — сравнение ее выходных параметров с выходными данными системы.

Различают два способа испытания: проверка самой модели, состоящая в качественном или количественном сравнение данных, полученных в результате моделирования, с действительными значениями и проверка значимости модели — проведение экспериментов для изучения поведения модели и системы с целью обнаружения их сходства, а также для сравнения тенденций поведения модели и системы. Выделяется также адаптивное моделирование, при котором происходит автоматическая адаптация модели к системе с помощью ЭВМ.

Ниже в качестве примеров построения математических моделей атмосферных выбросов приводятся некоторые наиболее простые и достаточно эффективные разработки. Они на сегодняшний день получили всеобщее признание, и на их основе, очевидно, могут успешно разрабатываться многочисленные вариации конкретных нештатных ситуаций и опасных аварийных явлений.

 

4.1. Струи

Выбросы химических и радиоактивных веществ в виде струй являются наиболее распространенными источниками загрязнений природной среды. Такие выбросы возникают практически на любом промышленном предприятии или заводе, при работе транспорта и в быту. Широко распространенными являются аварийные струйные выбросы. Знание газодинамических, геометрических и концентрационных характеристик струй является необходимым условием для составления правильного прогноза возможного загрязнения окружающей среды при их истечении.

Поведение струи газа, истекающей в спокойную среду или спутный поток, изучалось в течение длительного времени, в результате чего были созданы разнообразные методы расчета газодинамических параметров струйных течений. Отличия в условиях истечения струй, а также в параметрах среды, в которых они реализуются, приводит к тому, что разработать единую математическую модель, охватывающую все встречающиеся на практике случаи, крайне затруднительно. Как правило, математические модели и инженерные методы расчета охватывают сравнительно узкие классы струйных течений, при этом в них широко используются эмпирические зависимости. Применение эмпирических соотношений позволяет получить хорошее согласие между расчетными и экспериментальными значениями, однако их обобщение на другие типы струйных течений затруднительно или вообще невозможно.

Наиболее многочисленную группу математических моделей и инженерных методов расчета составляют работы, связанные с осесимметричными газовыми струями в спокойной среде или спутном газовом потоке. Среди этих работ следует выделить монографии Г.Н. Абрамовича [91, 92], Вулиса А.С. [93, 94], Голубева В.А. [95], Шетца Дж. [97] и Гиневского А.С. [99].

Изучению затопленых струй посвящено большое количество работ [95–99]. Однако они, как правило, используют не всегда корректно полученные уравнения относительно одного или двух макроскопических параметров среды (например, массы примеси и (или) количества движения). Кроме того, их авторы в большинстве исследований ограничиваются рассмотрением течений в лабораторных условиях и не учитывают изменений макроскопических характеристик среды с высотой. Как показывает опыт, неучет реальных метеоусловий может привести к существенным ошибкам в вычислении динамических, тепловых и геометрических характеристик струи.

Целесообразно уравнения изменения основных характеристик установившегося струйного потока усреднять по его поперечному сечению с учетом уравнения статики атмосферы. При этом используется эйлеров подход рассмотрения поточных характеристик газа втекающего и вытекающего из газового объема, ограниченного контрольными сечениями, отстоящими на некотором расстоянии А/ друг от друга. Устремляя А/ к нулю, приходим к дифференциальным уравнениям, которые легко решаются при помощи ЭВМ [8, 73].

Задание равномерного по сечению струи распределения газодинамических характеристик позволяет, не теряя строгости рассмотрения, упростить задачу и свести ее к квазиодномерной. Турбулентное расширение газа струи учитывается интегрально введением понятия вовлечения окружающей среды. В результате такого рассмотрения получаются дифференциальные уравнения для определения скорости газа струи V, угла наклона оси струи к горизонту α, концентрации i — ой примеси Сi, статической энтальпии единицы массы газа h.

Они имеют следующий вид:

Эти уравнения замыкаются соотношением для вовлечения Е [96]

уравнением статики атмосферы

связывающим статическое давление атмосферного воздуха Р∞ с углом наклона α и продольной координатой l струйного течения, а также уравнением состояния газа

 

4.2. Клубы

Клубы являются одними из наиболее распространенных аварийных выбросов, возникающих при авариях взрывного характера. Клубом называется изолированный объем сплошной среды (газа или жидкости), сильно турбулизованной и имеющей характерные геометрические размеры (ширина, высота, длина) одного порядка. Из-за турбулентного характера движения среды внутри клуба его массовые, термодинамические и концентрационные характеристики могут считаться однородными по объему.

Для вывода уравнений, позволяющих получить газодинамические, геометрические и концентрационные характеристики клуба, движущегося в атмосфере, исходят из записи соотношений баланса массы, количества движения и энергии ограниченного объема в близкие моменты времени t1 и t2 [4, 33, 47, 73]. Уменьшая промежуток Δt = t2 — t1, приходят к дифференциальным уравнениям для усреднённых по объему выброса величин: концентрации i-ой примеси, плотности газа, скорости центра масс выброса, температуры его вещества, а также для геометрических величин: угла наклона вектора скорости центра масс выброса к горизонту и его объема.

Например, уравнение баланса массы клуба записывается так:

М2=М1+М∞, (4.8)

где М = р· ϑ — масса клуба; М∞= Е Sδ Δt — вовлекаемая в клуб масса воздуха; р, ϑ — плотность газа выброса и его объем; Sδ — боковая поверхность выброса (поверхность вовлечения); Е — вовлечение,

ς, — коэффициент вовлечения, определяемый из эксперимента; V, V∞ — скорость клуба и скорость ветра; α — угол наклона вектора скорости выброса к горизонту; индексы «1», «2», «∞» относятся к моментам времени «1», «2», и к условиям окружающей среды соответственно.

Размерность Е — кг/(м2.с). Напомним, что овлечение — это масса газа окружающей выброс среды, вовлекаемая в него через единицу поверхности в единицу времени.

Из уравнения (4.8) следует, что масса выброса М2 в момент времени t2 складывается из массы выброса М1 в предыдущий момент времени t1, а также вовлеченной массы М.

В конечноразностном виде (5.8) имеет следующий вид:

Следует отметить, что клуб в сносящем ветровом потоке совершает сложное движение. Вовлекаемая в выброс масса окружающего воздуха передает ему количество движения, архимедова выталкивающая сила приводит к его всплытию.

Для плоского движения выброса уравнения силового баланса вдоль осей z их записываются так:

После раскрытия дифференциалов в левых частях этих уравнений приходим к соотношениям относительно параметров V и а. Они записываются так:

Уравнение сохранения концентрации химически активной примеси выводится по аналогии с уравнением сохранения массы. Баланс массы / — ой примеси выброса записывается так:

— массовая концентрация i— ой примеси; pi,wi — ее плотность и результирующая скорость образования i — го компонента в результате химических реакций;

 массовая концентрация i — ой примеси в окружающем пространстве.

Соотношение (4.14) после деления на Δt и устремления Δt → 0 в дифференциальной форме принимает такой вид:

или, раскрывая дифференциал в левой части и воспользовавшись соотношением (4.9), получаем в окончательном виде уравнение для нахождения массовой концентрации i — ой примеси в химически реагирующем выбросе:

Энергия клуба изменяется за счет вовлечения воздуха окружающей среды, имеющего другую энергию, за счет изменения его высоты, а также за счет протекания химических реакций внутри его объема. Баланс энергии за интервал времени At записывается так:

(MΣ)2 (MΣ)1 + ESδΣ∞Δt + wi qx Δt. (4.16)

В этом соотношении: Е и Н — полная энергия и полная энтальпия единицы массы газа;

Сρ, Т — теплоемкость газа выброса при постоянном давлении и его температура; z — геометрическая высота выброса; g — ускорение силы тяжести; J — механический эквивалент тепловой энергии; qx — теплота химических реакций внутри выброса.

В результате вовлечения окружающего воздуха в клуб будет поступать энергия, содержащаяся в наружном воздухе, удельное значение которой записывается так:

где  полная энтальпия единицы массы окружающей среды.

Соотношение (4.16) в дифференциальном виде запишется так:

или после раскрывания дифференциала в левой части и использования соотношения (4.9)

Подставив в (4.17) вместо Σ, Е и Sδ их значения, можно получить соотношение для нахождения температуры вещества клуба. Оно имеет следующий вид:

Дифференциальные уравнения (4.12), (4.13), (4.15), (4.18) дополняются соотношениями для нахождения молекулярного веса, теплоемкости и плотности газовой смеси выброса, а также уравнением состояния газа в виде

Необходимо отметить, что движение клуба в атмосфере является изобарическим. Это означает, что в любой момент времени и на каждой высоте его подъема давление газа внутри выброса в точности равно давлению окружающей среды на этой высоте, т. е. Р = Р∞. (4.19)

При использовании (4.19) приходим к соотношению связи плотности вещества клуба с его температурой. Оно записывается так:

 

4.3. Термики

Термики, в отличие от клубов, характеризуются упорядоченным круговым движением вещества относительно направления их движения. Они имеют грибовидную форму с затупленным по полусфере куполом [101] и порождаются в естественных условиях атмосферной конвекцией. Плотность вещества термика меньше плотности окружающей атмосферы, а эффекты турбулентности доминируют над эффектами вязкости.

Первоначально термик представляет собой компактный объем газа или жидкости, плотность которого отличается от плотности невозмущенной среды. Под действием сил плавучести этот объем приходит в движение, и при его обтекании воздухом возникает кольцевой вихрь. Вовлекающийся воздух из области встречного направления распределяется по боковой поверхности вихря и частично входит в него даже в тыловой области.

Следует отметить, что тороидальное вихревое движение термика отличается как от ламинарного вихревого кольца, так и от полностью турбулизованного клуба, являясь некоторым промежуточным между ними образованием. Это объясняется тем, что окружающий воздух, пришедший через близкую к оси термина область, вначале участвует в ламинарном круговом движении, а затем в области вершины термина турбулизуется, смешиваясь с фронтальным вовлекающимся потоком. Таким образом, тыловая часть термина участвует в ламинарном движении, а фронтальная в турбулентном (см. Рис. 4.1).

Возникает конус [101], вершиной которого является воображаемое «начало» термина, а половинный угол при вершине -12°. Окружающий воздух в конусе от 12° до 15° при вершине захватывается тыловой частью термина. Частицы окружающей среды вне этих конусов термином не захватываются. Отметим, что углы этих конусов меняются в зависимости от угла расширения самого термина, который может изменяться от 8° до 26°. Фактически этот диапазон углов расширения термина соответствует степени турбулизации окружающей среды.

Окружающая термин среда является безвихревой. Причем при его движении отсутствует след, возникающий всегда за твердым телом, то есть трение на поверхности движущегося объема газа отсутствует.

Циркуляция  по внешнему контуру термина постоянна при его движении [102]. В этом выражении: V — вектор скорости кругового движения; d s — вектор перемещения по замкнутому контуру.

Отметим, что образования типа терминов возникают при интенсивном «мгновенном» введении вещества иной плотности в среду. Если процесс инжекции затягивается, то турбулизация доминирует над вихреобразованием и возникает клуб — сильно перемешанный компактный объем с практически однородным распределением макроскопических характеристик.

Рис. 4.1. Структура течений среды вне и внутри термина: х — точки торможения; Н— стоки.

Источниками антропогенных терминов являются «мгновенные» взрывы, например, взрывы ядерных зарядов, конденсированных ВВ, взрывоопасных газов, перегретых жидкостей, емкостей с детонационноспособными веществами. Клубы появляются при взрывах слабодетонирующих веществ, когда процесс освобождения внутренней энергии ВВ замедляется.

Массовый характер термиков в форме всплывающих объемов нагретого воздуха проявляется жарким днем над черной пашней. Невидимые в приземном атмосферном слое термики визуализируются в компактные облачка на высоте конденсации паров воды, входящей в их состав (смотри фото). При дальнейшем всплытии эти объемы сливаются, превращаясь в облачные структуры.

Всплывание изолированных объемов газа с дефицитом плотности и их трансформация в вихревые кольца и термики достаточно хорошо изучены [47, 9-15, 30–33, 40].

В качестве математической модели явления в большинстве работ используется полная система нестационарных уравнений Навье-Стокса для сжимаемого теплопроводного газа в цилиндрических координатах r,z [38,47,120] (в отсутствие ветра движение осесимметрично). Газ предполагается совершенным, с уравнением состояния р=АрТ, атмосфера — барометрической (атмосферное давление ра (г) экспоненциально убывает с высотой, а температура Та постоянна).

Краевая задача формулируется [47] так. В цилиндрической расчетной области V(t) ={0≤ r ≤ f (t),0≤ z ≤φ(t)} с подвижными правой f(t) и верхней φ(t) границами при t>0 требуется найти решение исходной системы дифференциальных уравнений, удовлетворяющее граничным и начальным условиям:

Здесь:

R0 — радиус термина, a T1 — температура в его центре при t = 0, остальные обозначения — общепринятые.

Отметим, что кроме условия «прилипания» (и = 0) на подстилающей поверхности z = 0 используется также условие «проскальзывания» - .

Подвижные границы располагают достаточно далеко от термина и перемещают так, чтобы значения газодинамических величин на них можно было считать равными соответствующим параметрам невозмущенной атмосферы.

Вводятся характерные масштабы задачи: пространственный — диаметр термина L = 2R0, скоростной — конвективная скорость , временной . Температура и плотность нормируются на соответствующие значения атмосферного воздуха у поверхности земли:

То = Та(0); Р0 = Ра (0); р0=Ар0Т0.

В результате обезразмеривания возникают следующие определяющие параметры задачи:

Преобразованная система дифференциальных уравнений аппроксимируется с помощью разностных схем и решается на ЭВМ.

Анализ результатов расчетов показал, что процесс подъема термиков, как изолированных, так и приповерхностных (после отрыва от плоскости), условно можно разбить на четыре этапа.

Первый этап — разгон с практически постоянным ускорением; второй этап — приблизительно движение с постоянной скоростью; третий этап — подъем в автомодельном режиме (Аг = (А^)12); четвертый этап — размывание термика за счет диссипации до достижения им положения равновесия (зависание и колебание около положения равновесия с постепенным диффузионным «рассасыванием»).

Максимальная приземная скорость, вычисленная по формуле работы [120], для крупномасштабных полусферических термиков

составляет ≈ 20 м/с, а время отсекания его от поверхности ~2 ÷ 3 с. Скорость подъема термика, складывающаяся из составляющей сил Архимеда и составляющей собственного вихря, для техногенных термиков не превосходит нескольких десятков метров в секунду.

 

4.4. Тепловые колонки

При больших открытых пожарах в атмосфере возникают крупномасштабные конвективные движения, способствующие переносу газоаэрозольных продуктов горения и дымления на значительные расстояния. Такие атмосферные образования называют конвективными колонками [17, 27–33]. Конвективные колонки приводят к загрязнению верхних слоев атмосферы большим количеством мелкодисперсного оптически активного аэрозоля и могут вызвать как региональные погодные, так и глобальные климатические изменения. При образовании конвективной колонки над большим площадным пожаром происходит формирование вертикального переноса аэрозолей в верхние слои тропосферы и нижнюю стратосферу.

Распространение продуктов горения от крупных пожаров с помощью метеорологических моделей дождевых облаков исследовалось в [27, 28], в приближении Буссинеска в [29, 30]; с использованием уравнений Навье-Стокса для сжимаемого газа с постоянными эффективными коэффициентами турбулентного переноса — в [31]. Формирование конвективной колонки над пожарами исследовалось в [32], струи метеотрона — в [33].

Представим математическую модель конвективной колонки на основе работы [17], в которой численно исследуется динамика формирования осесимметричной колонки продуктов горения с учетом фазовых переходов, обусловленных наличием влаги в атмосфере.

Очаг пожара моделируется объемным источником тепла Ql (Вт/м3) и массы мелкодисперсного инертного аэрозоля Sc (кг/с/м3) с заданным законом их изменения во времени. Предполагается, что величины Qt и Sc постоянны внутри цилиндрической зоны тепловыделения с радиусом R0 и высотой h и равны нулю вне этой зоны. При рассмотрении развития турбулентных конвективных движений вязкого сжимаемого и теплопроводного газа над очагом пожара в неподвижной влажной стратифицированной атмосфере учитывается, что влажный воздух, вовлекаемый конвекцией, в процессе подъема и расширения охлаждается. При достижении условий насыщения водяной пар конденсируется с выделением тепла. Для учета теплоты парообразования в центрах конденсации вводят дополнительные объемные источники тепла [34]:

где L — удельная скрытая теплота конденсации; р — плотность смеси сухого воздуха, пара, сконденсированной влаги и дымового аэрозоля; Fl — удельное содержание сконденсированной влаги, определяемое как разница между удельной влажностью F и насыщающей влажностью Fm; t — время.

Плотность паровоздушной смеси записывается в виде [33]:

р = рв(1–0,608 F + F1 + с),

где с — удельная концентрация дымового аэрозоля.

Плотность сухого воздуха рв удовлетворяет уравнению состояния

где Р — давление, Т — температура, R — газовая постоянная для воздуха.

Удельная влажность Fm, при которой водяной пар в воздухе достигает насыщения, определяется из уравнения:

где

Em(T) — парциальное давление насыщенного водяного пара (Н/м2), определяемое по формуле Магнуса [34]:

Em(T) = 610 ехр α(Т),

а(Т) =17,27(Т — 273,16)/(T — 35,86).

Формирование и подъем конвективной колонки дымового аэрозоля рассматривается в рамках односкоростной и однотемпературной модели дисперсной среды, применение которой правомерно, так как размеры дисперсных частиц (дым, пар, капли) намного превышают характерные молекулярно-кинетические пробеги, а время их скоростной и температурной релаксации значительно меньше времени развития конвективных движений. Кроме того предполагается малое объемное содержание дисперсной фазы, не учитываются эффекты столкновения частиц, коагуляция, образование дождевых капель и их выпадение.

Начало цилиндрической системы координат г, z выбирается в центре пожара на поверхности земли. Тогда система уравнений Навье-Стокса, определяющая развитие конвективных движений среды при пожаре, имеет следующий вид:

В этих соотношениях: u, V — радиальная и вертикальная составляющая скорости; Cv — теплоемкость газа при постоянном объеме; g — ускорение свободного падения; μ, λ — коэффициенты динамической вязкости и теплопроводности.

Распространение мелкодисперсного дымового аэрозоля, перенос пара и влаги в виде капель описывается уравнениями турбулентной диффузии

В этих соотношениях: μе, μt — коэффициенты ламинарной и турбулентной вязкости; l — длина пути перемешивания; К — эмпирическая константа.

Эффективные коэффициенты переноса предполагаются связанными соотношением

числа Рейнольдса и Шмидта равны Re=Sc.

Здесь: Сp = γ · Cv; γ — показатель адиабаты.

Начальное состояние атмосферы до пожара считается невозмущенным, т. е. при t = 0:

u = V = 0; T=Ta(z);p=pa(z);F = Fa(z);F1 = C = 0.

Распределение метеопараметров по высоте определялось в соответствии с моделью международной стандартной атмосферы и уравнением гидростатического равновесия [34]:

В этих соотношениях: pa(z) — плотность невозмущенной атмосферы; Нт — высота тропопаузы (10 ÷16 км); F0 — значение удельной влажности у поверхности земли;

а0 = 0,42 ч-0,84 км1.

Пограничные условия на оси течения записываются в соответствии с симметричностью течения, поверхность земли считается адиабатичной и непроницаемой:

при r=0:

На внешних границах расчетной области принимались условия отсутствия градиентов скоростей и давлений; для входящего в область колонки потока считалось, что Т = Ta(z), F = Fa(z), F1 = С = 0; для выходящего потока — градиенты температуры, удельной влажности и концентрации брались нулевыми.

Численное решение изложенной модели показало, что в процессе развития в атмосфере конвективная колонка проходит несколько стадий: формирование, подъем и зависание.

На Рис. 4.2 представлена рассчитанная картина процесса формирования дымового облака над пожаром в последовательные моменты времени (показаны изолинии 4-х различных концентраций аэрозоля: сх, с2, с3, с4).

На начальной стадии формирования колонки (t < 1000 с) движение влажного воздуха происходит без фазовых превращений. На границе пожара возникает интенсивный тороидальный вихрь, способствующий более быстрому подъему аэрозольных частиц по периметру очага горения (Рис. 4.2а).

Рис. 4.2. Динамика формирования облака аэрозольных частиц над пожаром: R = 5 км; qm = 5 104 Вт/м2 в моменты времени: а) 900 с; б) 1800 с; в) 2700 с.

В дальнейшем по мере увеличения мощности тепловыделения формируется устойчивый, направленный к центру пожара поток газа. Окружающий зону пожара воздух втекает в нее, нагревается и вместе с продуктами горения поднимается вверх, образуя вертикально направленный поток — тепловую колонку. Поднимающийся в восходящей струе влажный воздух достигает уровня конденсации (на высотах > 3 км), что приводит к дополнительному подъему аэрозолей (рис. 4.26).

Тороидальный вихрь, образовавшийся при малых временах на периферии пожара, под действием сил плавучести поднимается, формируя характерную грибовидную форму (рис. 4.2в) — стадия зависания колонки.

Расчеты показали, что при мощности пожара qm = 5-104 Вт/м2 наибольшая вертикальная скорость потока (43 м/с) наблюдается на оси симметрии, при этом максимальная величина радиальной скорости у границ очага горения не превышает 17 м/с. Вовлечение холодного воздуха в восходящую струю наблюдается до высоты «4 км. На высотах от 7 до 11 км образуется зона зависания, в которой дымовой аэрозоль и вовлеченный в струю воздух растекаются в горизонтальном направлении от оси симметрии течения. Через 1 час дымовое облако растекается на площади 700 км2, что почти на порядок больше площади очага горения.

Вода, выделяющаяся при конденсации влажного воздуха, в виде дождевых капель, снега и льда может выпасть в виде осадков.

Полученные результаты показывают, что динамика формирования конвективной колонки, высота подъема аэрозоля и характер его распределения в выбросе зависят не только от мощности пожара, но и от влажности атмосферы. Фазовые переходы, вызванные присутствием влаги в атмосфере, существенно влияют на характеристики подъема, зависания и выноса аэрозоля в атмосферу, а также процессы вымывания осадками частиц аэрозоля. В связи с этим при анализе пространственно-временной картины формирования тепловой колонки при пожарах необходим учет влажности и устойчивости атмосферы, а также уровня тропопаузы.

 

4.5. Дымления, испарения, туманы

Выбросы, возникающие при испарениях жидкостей и дымлениях твердых горючих тел, являются важными поставщиками токсичных веществ в атмосферу. Эти процессы объединяет то, что носителями загрязнений являются мельчайшие твердые или жидкие частицы, строго следующие движениям воздуха. Скорость поступления таких частиц в атмосферу определяется молекулярными эффектами, а скорость переноса — турбулентными характеристиками потока.

Вследствие своей малости и быстрого разбавления воздухом частицы испаряющейся жидкости или дыма практически не влияют на газодинамику выброса и фактически являются пассивной субстанцией. Поэтому уравнения, описывающие выбросы дымления и испарительный выброс, имеют одинаковый вид.

При построении математических моделей движения атмосферных объемов, включающих в себя мельчайшие твердые или жидкие частицы, вводится предположение [121] о том, что их наличие не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на характер такого движения. Иными словами, предполагается, что примесь капель жидкости или аэрозольных дымовых частиц в воздухе является консервативной и химически пассивной.

Что касается дымовых аэрозолей, то такое предположение является весьма оправданным и подтверждается многочисленными экспериментальными данными. Водяной пар в воздухе при отсутствии фазовых переходов является [121, 129, 130] консервативной скалярной примесью.

Как известно [121], любая консервативная субстанция, смешивающаяся с движущейся жидкостью, переносится относительно системы координат, связанной со средним ее движением, путем турбулентного и молекулярного обмена. Общий поток массы выражается в виде

В соответствии с законом Фика

где kv — коэффициент молекулярной диффузии рассматриваемой физической субстанции (водяного пара или дыма) в воздухе; pv — ее плотность.

Уравнение сохранения консервативной пассивной примеси в предположении постоянства pv и kv по пространству имеет вид [121]

где q — концентрация примеси.

Отметим, что это уравнение имеет весьма общий вид, и им можно пользоваться для определения изменения любой консервативной и пассивной примеси или любого свойства воздуха, заменив q на концентрацию, выраженную отношением массы примеси к единичному объему общей массы воздуха и понимая под ки коэффициент молекулярной диффузии этой примеси.

Записанное выше уравнение диффузии можно решить, выбрав подходящие граничные условия и зная распределение поля скорости. Граничные условия задаются трех типов, а именно на поверхности z = 0 задается либо значение q, либо поток рассматриваемой примеси, либо поток примеси выражается через другие компоненты теплового баланса.

К сожалению, уравнение (4.26) не находит непосредственного применения в практических задачах, так как реальные потоки имеют турбулентный характер. Это означает, что в действительности невозможно определить скорость переноса и концентрации примесей в любой заданной точке пространства и времени, а можно найти только их статистические характеристики.

Для этого рассматривают осредненные величины, и в соответствии с общепринятым подходом, предложенным Рейнольдсом, зависимые переменные представляют в виде сумм не возмущенных величин и возмущений:

Применяя затем обычный метод осреднения по времени с соответствующим периодом осреднения и используя уравнение неразрывности, из уравнения (4.26) получается соотношение для нахождения

Члены в левой части этого уравнения представляют скорость изменения средней массовой доли вещества примеси, перемещающейся с осредненной скоростью движения воздуха. Ковариации пульсаций в правой части уравнения можно назвать турбулентными потоками по аналогии с напряжениями Рейнольдса. Они являются компонентами диффузионного потока, обусловленного турбулентным движением. Последний член представляет перенос средней субстанции за счет молекулярной диффузии.

Это уравнение должно быть дополнено уравнениями неразрывности, количества движения и энергии в терминах средней скорости движения несжимаемой жидкости. Вид этих уравнений для пассивных и консервативных примесей общепринятый и поэтому здесь не приводится.

Записанные таким образом уравнения сохранения имеют незамкнутый вид, и поэтому их решение представляет большую проблему. Уравнения для моментов низших порядков (для осредненных величин) содержат потоки, обусловленные пульсациями метеорологических элементов и содержат моменты более высокого порядка. Таким образом, любой конечный набор уравнений для моментов турбулентных флуктуаций всегда включает больше неизвестных, чем число уравнений. Это известная проблема замыкания присуща уравнениям турбулентного движения, основанным на приближениях Рейнольдса. Она является результатом нелинейности исходных уравнений гидродинамики.

Упрощение этой проблемы достигается несколькими подходами. Во-первых, путем выделения в атмосфере вблизи подстилающей поверхности особого пограничного слоя, в котором вертикальные градиенты значительно больше горизонтальных. Во-вторых, путем использования принципов подобия и полуэмпирической теории турбулентности, выражая моменты второго и более высоких порядков через осредненные переменные и моменты более низких порядков.

В качестве примера использования инженерного подхода для решения задачи распространения консервативных пассивных примесей в атмосфере приведем математическую модель атмосферной диффузии примеси при тумане. Расчет распространения примеси от источников при тумане основывается на решении уравнения турбулентной диффузии, записанном в виде [129]:

Здесь u — скорость ветра; q — концентрация примеси; Ку — горизонтальная составляющая коэффициента обмена; а' — показатель степени поглощения примеси водяными каплями (вне тумана а' — 0).

Начальным условием при х=0 принимается наличие источника на некотором уровне z = Нmр при у = 0 и в качестве граничных условий, как обычно, убывание q до нуля при неограниченном удалении от источника и отсутствие потока примеси на подстилающей поверхности, т. е. при z = 0:

Способ определения а' рассмотрен в работе [122]. Для расчета концентрации примеси q необходимо знать распределение водности в тумане и высоту тумана. Решение приводится в работе [122]. Из анализа решения следует, что поглощение примеси, содержащейся в газообразном виде в атмосфере, происходит в основном в верхнем слое тумана; вблизи земли ее концентрация близка к нулю. Причем на расстояниях х > 0,5 км от источника практически вся газообразная примесь в тумане растворена в каплях.

 

4.6. Взрывной разлет твердых и жидких частиц

Жидкие и твердофазные выбросы являются важной загрязняющей компонентой при авариях на промышленных объектах. Сносящий ветровой поток приводит к переносу частиц на большие удаления от места аварии и загрязнению обширных ареалов.

Исследованию процессов разлета частиц и фрагментов взрываемых объектов разного размера, а также изучению загрязнения атмосферного воздуха и поверхности земли твердофазными и жидкими продуктами взрыва посвящено большое количество работ [71–72,74-85], основная часть которых описывает возникновение и разлет частиц и осколков при взрывах емкостей, снаряженных газами и конденсированными твердыми топливами.

Авторы большинства работ ограничиваются рассмотрением движения массивных тел по баллистическим траекториям в пренебрежении воздействия ветра. Согласно упрощенному анализу [74] движение тела предполагается в одной плоскости, причем допускается, что оно может вращаться вокруг продольной оси, что придает осколку необходимую устойчивость и позволяет считать, что тело не сносится ветром.

В действительности фрагменты разрушенного объекта, жидкие и твердые частицы при их взрывном разлете в ветровом потоке заметно отклоняются от первоначальной плоскости. Причем эти отклонения тем больше, чем мельче частицы. Пространственный характер движения частиц при наличии возмущающего воздействия внешних сил может быть учтен в предположении независимости их движения в горизонтальной плоскости и в плоскости разлета [87,76].

Запишем соотношения, позволяющие сравнительно просто определять динамические и траекторные характеристики жидкой или твердой частицы, а также фрагмента изделия или куска грунта, вылетающего из взрывного очага и продолжающего движение по баллистической траектории при наличии ветра. На частицы, движущиеся после взрыва в атмосфере по инерции, действуют сила полного аэродинамического сопротивления и сила тяжести.

При известной системе внешних сил Ft, действующих на объект, векторное уравнение движения его центра масс записывается в виде [62,76,70,87]:

Как показано в работе [70], абсолютное ускорение в левой части этого уравнения определяется относительным (в лабораторной системе координат) ускорением , а переносным и кориолисовым ускорениями можно пренебречь. Если землю считать неподвижной, то скорость взрывного разлета частиц является практически абсолютной их скоростью.

Отметим, что в систему уравнений для описания пространственного движения частицы при ее взрывном разлете кроме проекций уравнения движения (4.28) на координатные оси в лабораторной (стартовой) системе координат должны входить уравнения для нахождения ее координат. Такими уравнениями являются кинематические соотношения, устанавливающие зависимости проекций  на оси лабораторной системы координат от величины этой скорости и углов в вертикальной α и горизонтальной θ плоскостях. Соотношения, связывающие пространственные координаты частицы x,y,z с ее скоростью записываются так

Эти соотношения дополняют систему скалярных уравнений движения центра масс частицы:

где X,Υ,Z — проекции вектора полной (с учетом соответствующих составляющих скорости ветра) аэродинамической силы на координатные оси; g — ускорение силы тяжести.

В окончательном виде дифференциальные уравнения движения частицы, вылетающей из взрывного очага в сносящий ветровой поток, имеют следующий вид [62,73]:

Здесь Ve — скорость ветра; pe — плотность воздуха; S — площадь миделева сечения частицы; Сх — коэффициент аэродинамического ее сопротивления, зависящий от режима движения в атмосфере.

Системы уравнений (4.29) и (4.30) позволяют сложное пространственное движение центра масс частицы, движущейся после вылета из очага взрыва в ветровом потоке, представить в виде суперпозиции двух простых: продольного (в плоскости разлета) и бокового (в плоскости горизонта). При этом продольное движение оказывается независящим от бокового.

 

4.7. Ветровой перенос пыли

После аварий на крупных химических и радиационных объектах в окружающую среду может попасть огромное количество загрязняющих веществ в виде частиц в широком диапазоне размеров — от грубодисперсных частиц до мелкодисперсных аэрозолей. Их ветровой перенос приводит к загрязнению больших ареалов радиоактивной или химически активной пылью.

Несмотря на то, что пыль, связанная с деятельностью человека, стала выступать в качестве загрязняющего фактора достаточно давно, систематическое изучение этой проблемы находится еще в начальной стадии [63,64]. Причиной такого положения является, по нашему мнению, как недооценка пыли как важного загрязняющего фактора, так и сложность определения сил, действующих на частицы со стороны воздушного потока, и отсутствие надежных данных о величинах молекулярных сил, препятствующих отрыву частиц от земли и друг от друга.

Вопрос об уносе тяжелых частиц с подстилающей поверхности и их распространении в потоке рассматривался рядом исследователей [86,89,63–68]. Было показано, что если в потоке имеются достаточно тяжелые частицы, то его турбулентная энергия заметно уменьшается из-за затрат на отрыв частиц от подстилающей поверхности и поддержания их во взвешенном состоянии. В этом случае необходимо взаимосвязанно рассматривать распространение частиц в потоке и движение самого потока. Отмечается, что если работа, затрачиваемая потоком на взвешивание частиц, мала, то структура потока практически не меняется из-за наличия в нем частиц. В этом случае распространение частиц в потоке можно рассматривать в рамках диффузионной теории.

В работе [90] предлагается принять гипотезу о том, что при   (w — скорость осаждения частиц, v — динамическая скорость, % — постоянная Кармана) частицы переносятся потоком путем последовательных подскоков и падений. Такой процесс называется сальтацией. Он является основным механизмом переноса частиц, например, во время песчаных бурь.

По современным представлениям [65] частицы в общем случае под действием ветрового потока могут перемещаться тремя способами: качением или скольжением по подстилающей поверхности, скачками и путем перехода во взвешенное состояние. Отрыву частиц от земли практически всегда предшествует стадия скольжения или перекатывания. Этот вид энергии требует наименьших затрат энергии, поэтому транспортирующая способность такого потока является наибольшей. Основная масса частиц переносится скачками.

Крупные аварии промышленных объектов, сопровождающиеся пожарами, взрывами и токсическими выбросами, приводят к появлению локальных температурно-ветровых неоднородностей и, как их следствие, к возникновению интенсивных перемещений насыщенных частицами воздушных потоков типа пыльных бурь. Отметим, что образование естественных пыльных бурь происходит при термодинамической неустойчивости атмосферы, обусловленной сильным нагревом почвы или вторжением холодных масс воздуха с атмосферным фронтом. Для возникновения пыльных бурь кроме большой скорости ветра необходима еще его конвергенция [66]. При пыльных бурях, вызванных потоками теплого воздуха, четкого пылевого фронта не образуется. Вертикальные потоки воздуха над нагретой поверхностью вызывают иногда появление пылевых столбов радиусом от 5 до 100 м и высотой до 2 км. При сильном ветре, вызывающем появление пылевой бури, перенос мелких частиц в виде взвеси составляет от 3 до 40 % от величины суммарного переноса. Теория переноса витающего аэрозоля не учитывает взаимодействия твердой и газовой фаз, поскольку концентрация аэрозоля считается пренебрежимо малой. Поэтому величина переноса определяется произведением концентрации пассивной примеси на скорость ветра. В случае распространения консервативной примеси с концентрацией q полуэмпирическое уравнение турбулентной диффузии имеет следующий вид [65,67]:

где u — скорость ветра; w — скорость седиментации частиц; Кх, Ку, Кz — коэффициенты турбулентной диффузии по осям координат.

В качестве граничных условий на бесконечности полагают концентрацию примеси равной нулю, и на высоте шероховатости z0 задают величину вертикального потока. Они записываются так:

где β — некоторый коэффициент, характеризующий взаимодействие пыли с подстилающей поверхностью;

Для описания движения грубодисперсных аэрозолей используют [68,69] подходы двухфазных турбулентных потоков, учитывающих взаимное влияние фаз. Однако необходимо отметить, что для разрешимости системы уравнений необходимо ввести дополнительные предположения. При подобных подходах предполагается несжимаемость среды и учитываются возможные межфазовые переходы типа сублимации. Уравнения неразрывности и сохранения количества движения газовой и твердой фаз в предположении, что тензор мгновенных напряжений внутри частиц и среды изменяется непрерывно, записываются в следующем виде [65, 69]:

где S — объемная концентрация твердой фазы; v,vs — векторы осредненной скорости среды и твердой фазы относительно земли; ρ,ρs — массовые плотности среды и частицы; g — ускорение силы тяжести; ε,εs — ускорения негравитационных массовых сил; T, Ts — осредненные тензоры напряжений, вызванных перемешиванием и столкновением твердых и газовых частиц; П — осредненный тензор мгновенных напряжений внутри твердых частиц и среды.

Для решения уравнений (4.31) оценивается порядок отдельных членов в уравнениях и показывается, что влиянием электризации частиц на их подъем в воздухе можно пренебречь по сравнению с гравитационными силами. Кроме того, пренебрегается межфазовыми переходами. Величина Ts опускается из-за невозможности ее определения и для двухфазного потока используется приближенное выражение обобщенного тензора касательных напряжений для однофазной жидкости. Такая вынужденная замена сразу же приводит к расхождению теории с экспериментом в области, где взаимное влияние фаз наиболее выражено, т. е. в зоне больших концентраций у поверхности земли. Формально это влияние проявляется в кажущемся увеличении параметра шероховатости подстилающей поверхности.

Важным фактором в понимании механизма развития движения пылевых образований типа пыльных бурь является обнаруженное и экспериментально подтвержденное распределение частиц по размерам над поверхностью земли. При ветровом переносе пыли крупные частицы сосредотачиваются вблизи поверхности почвы, мелкие поднимаются выше. Поскольку мелкодисперсные частицы поднимаются на большую высоту, они уносятся ветром дальше, что вызывает изменение спектрального состава аэрозоля по мере его удаления от очага пылеобразования. Вертикальный профиль переноса характерен резким убыванием концентрации и потока примеси с высотой.