CC BY
33
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551.509.313.1+551.511 К.Г. Шварц, В.А. Шкляев
ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРЕ ПРИ НАЛИЧИИ МОЩНОГО ИСТОЧНИКА ИСПАРЯЕМОЙ ЖИДКОСТИ
Разработана модель переноса примеси в пограничном слое атмосферы при наличии мощного источника холода, образующегося в результате разлива большого объема испаряемой жидкости. На основании численных экспериментов было выявлено, что при сильном охлаждении образуются вихревые структуры с вертикальной осью вращения, количество которых изменяется от двух до четырех. Турбулентная диффузия примеси усиливается при увеличении горизонтальных градиентов температуры и концентрации загрязняющего вещества.
Ключевые слова: аварийный разлив, концентрация примеси, градиенты концентрации, диффузия примеси.
Перенос и рассеивание примеси, попавшей в атмосферу в результате аварийного разлива большого объема летучей жидкости, например аммиака, характеризуются несколькими специфическими условиями. Во-первых, необходимо учитывать затраты тепла на испарение разлившейся жидкости. В этом случае происходит интенсивное охлаждение нижней части приземного слоя. Если считать процесс переноса облака испарившейся примеси адиабатическим и при наличии устойчивой стратификации атмосферы над областью разлива, испарение жидкости приводит к адвективному притоку тепла к поверхности образовавшегося разлива. Этот приток тепла компенсирует затраты тепла на испарение, в результате чего скорость испарившейся жидкости достигает некоторой равновесной величины, определяемой поступившим количеством тепла. Во-вторых, локальное понижение температуры воздуха приводит к тому, что над разлившейся жидкостью в результате горизонтальной термической неоднородности образуются циркуляционные ячейки, усложняющие процессы переноса примеси вследствие появляющихся возмущений поля скорости [7]. В-третьих, над поверхностью разлива и охлаждения приземного слоя формируется очень устойчивая термическая стратификация, ослабляющая турбулентную диффузию примеси. Считается, что в этом случае облако примеси, слабо рассеиваясь, может переноситься на значительные расстояния. При таком условии была разработана модель прогноза последствий аварий [6].
В действительности при наличии второго из отмеченных факторов процесс распространения и рассеивания облака переносимого загрязняющего вещества усложняется. Для исследования основных физических механизмов этого процесса была использована квазидвумерная модель [1-3]. В качестве исходных были выбраны трехмерные уравнения гидротермодинамики «сухой» атмосферы и уравнение турбулентной диффузии примеси. Нижний слой атмосферы считался несжимаемым газом, использовались приближения Буссинеска, статики и крупномасштабности [4; 5]. На нижней и верхней границах задавались притоки тепла и потоки примеси, а на боковых границах использовались условия теплоизоляции.
Параметры пограничного слоя, используемые при численных расчетах, принимали следующие значения: толщина пограничного слоя соответствовала устойчивой стратификации в ночное время, средние в слое показатели коэффициента горизонтальной и вертикальной турбулентной диффузии вне источника и над источником принимали различные значения, температура на поверхности разлитой жидкости (аммиак) -33ОС. Мощность источника принималась в соответствии с методикой прогнозирования [6] при разливе аммиака из резервуара объемом 5000 м3. При численных расчетах горизонтальные размеры территории составляли 100х100 км; остальные параметры были получены расчетами или уточнены при проведении численных экспериментов. Скорость западного ветра принималась равной 1 м/с.
Рассматривались варианты расчетов с различными температурными градиентами и концентрационными изменениями плотности. Кроме этого, исследовалось влияние температурной стратификации непосредственно над источником холода. В этом случае принимались уменьшенные значения коэффициентов горизонтальной турбулентной диффузии, пропорциональные пути смешения, который определялся при различных типах стратификации. В качестве обобщающих количественных характеристик использовались максимальные значения концентрации на оси факела в долях величины токсодозы; средние значения скорости ветра в слое над холодным источником примеси; максимальные возмущения функции тока, вызванные влиянием перечисленных факторов. Рассчитанные количественные характеристики были сведены в таблицу.
Особенности распространения загрязняющих веществ. БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Таблица 1
Результаты расчетов рассеивания примеси в зависимости от градиентов температуры воздуха
и концентрации
Учитываемый физический механизм Вычисленная характеристика
Т емпературный градиент Градиент концентрации Концентрация примеси, в долях токсодозы Скорость ветра, м/с Возмущения поля скорости ветра, м/с
Устойчивая стратификация (вариант 1)
Да Да 16,2 1,03 0,17
Да Нет 16,7 0,86 0,01
Нет Да 15,8 1,20 0,35
Нет Нет 16,7 0,86 0,00
Сильная устойчивость над источником (вариант 2)
Да Да 31,0 1,56 0,72
Да Нет 37,5 0,86 0,03
Нет Да 37,5 2,08 1,22
Анализ полученных результатов позволяет установить, что при отсутствии влияния холодного источника и градиентов концентрации максимальный уровень содержания аммиака на оси факела составил 16,7 величины токсодозы. Средняя скорость ветра при этом уменьшилась до 0,86 м/с, а ее возмущения отсутствовали.
При наличии только градиента концентрации плотности поля концентрации и ветра претерпевают наибольшие изменения. Максимальная концентрация уменьшается примерно на 5 %, а скорость ветра возрастает на 40%. В этом случае наблюдаются наибольшие возмущения потока (до 0,35 м/с), которые приводят к образованию двух вихрей над источником примеси.
Если учитывать только горизонтальные градиенты температуры, то изменений в полях ветра и концентрации практически не наблюдается, концентрация на оси факела возрастает на величину около 0,1%, скорость ветра практически не изменяется, возмущений потока не происходит.
При наличии градиентов температуры и концентрации также наблюдается образование двух вихрей над источником примеси, но меньшей интенсивности. Возмущения скорости составляют
0,17 м/с, а максимальная концентрация уменьшается на 3%. Изменения в поле температуры воздуха незначительны.
При ослаблении турбулентного обмена над источником (вариант 2) происходит увеличение концентрации примеси, а также скорости ветра за счет обтекания зоны холода. В этом случае скорость вращения вихрей тоже возрастает (см. рис.).
(а)
(б)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Рис.1. Поля возмущения функции тока (а), концентрации примеси (б)
Исследовалось также влияние мощности источника на возмущения поля концентрации и скорости ветра. Когда мощность источника увеличивалась, количество вихрей увеличивалось до 4, что приводило к увеличению коэффициентов горизонтальной турбулентной диффузии. В этом случае
У
X
X
К.Г. Шварц, В.А. Шкляев
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
увеличение потока примеси с поверхности разлива компенсировалось усилением горизонтальной диффузии примеси.
В результате исследования были получены следующие выводы:
температурные и концентрационные неоднородности над мощным холодным источником выбросов загрязняющих веществ изменяют поле скорости ветра в его окрестности;
концентрационные и температурные градиенты усиливают горизонтальную диффузию примеси. Наибольшая роль в этом процессе принадлежит концентрационным градиентам;
источник холода, усиливая устойчивость в нижней атмосфере, приводит к увеличению скорости обтекания вихревых структур и усилению их вращения.
Работа поддержана тематическим планом НИР ПГУ 01.13.10 «Вихревые течения в природе и технике».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аристов С.Н., Шварц К.Г. Вихревые течения адвективной природы во вращающемся слое жидкости Пермь, 2006. 155с.
2. Аристов С.Н., Фрик П.Г. Крупномасштабная турбулентность в тонком слое неизотермической вращающейся жидкости // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. 1988. №4. С.48-55.
3. Шварц К.Г., Шкляев В.А. Распространение примеси в атмосфере от антропогенного источника при условии интенсивного нагрева // Потоки и структуры в жидкостях (тез. докл.): Междунар. конф. 20 - 23 июня 2005 г. М., 2005. С. 319-322.
4. Шварц К.Г., Шкляев В.А. Моделирование мезомасштабных атмосферных процессов над большим городом // Метеорология и гидрология. 1994. № 9. С.29-38.
5. Шварц К.Г. Квазидвумерная модель распространения реагирующей примеси в мезомасштабном пограничном слое при наличии источника холода// География и регион. IX. Природопользование и экологический мониторинг: материалы Междунар. науч.-практ.конф. Пермь, 2002. С. 195-200.
6. РД 52.04.253-90. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. М.: Г осгидромет СССР, 1991. 24 с.
7. Schwarz K.G., Shklyaev V.A. Modeling the propagation of cold contaminent in atmosphere following accidental spilling of volatile liquid // Fluxes and Structures in Fluids - 2003: Intern. conf. Selected papers / ed. by Yu.D. Chashechkin, V.G. Baydulov. M., 2004. P. 172-175.
Поступила в редакцию 15.11.10
K.G. Shvarts, V.A. Shklyaev
Features of distribution of polluting substances in atmosphere in the presence of the powerful source of the evaporated liquid
The model of an impurity transport in a boundary layer of atmosphere in the presence of a powerful source of the cold formed as a result of flood of great volume of the evaporated liquid is developed. On the basis of numerical experiments it has been revealed that at strong cooling vortical structures with a vertical axis of the rotation the quantity of which changes from two to four are formed. Turbulent diffusion of an impurity amplifies at increase in horizontal gradients of temperature and concentration of polluting substance
Keywords: outflow, impurity concentration, gradients of concentration, diffusion of an impurity.
Шварц Константин Григорьевич, доктор физико-математических наук, доцент Пермский государственный университет 610990, Россия, г. Пермь, ул. Букирева, 15 E-mail: [email protected]
Шкляев Владимир Александрович, кандидат географических наук, доцент Пермский государственный университет 610990, Россия, г. Пермь, ул. Букирева, 15 E-mail: [email protected]
Shvarts K.G., doctor of physics and mathematics,
associate professor
Perm State University
610990, Russia, Perm, Bukireva str., 15
E-mail: [email protected]
Shklyaev V.A, candidate of geography, associate professor Perm State University 610990, Russia, Perm, Bukireva str., 15 E-mail: [email protected]
