Вадим Романов - Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу

Атмосферная турбулентность устойчивой атмосферы очень слабая и на подъем выброса оказывает минимальное воздействие.

При нейтральной атмосфере относительная плотность вещества выброса остается постоянной на всей его траектории. Вследствие интенсивной турбулентности атмосферы возрастает вовлечение в него окружающего воздуха. Увеличивается его размер и масса, однако наличие перегрева приводит к его постоянному всплытию (кривая 2 на Рис. 3.8).

В случае неустойчивой атмосферы относительная плотность вещества выброса резко уменьшается с высотой, а высокий уровень турбулентных пульсаций окружающего воздуха резко усиливает процесс вовлечения. Высокое значение температурного градиента γ априводит к теоретически неограниченному подъему выброса (кривая 3 на Рис. 3.8).

Поведение газообразных выбросов в атмосфере зависит от относительной плотности (температуры) их вещества — тяжелее или легче газ окружающего воздуха. При относительно легком газе (ρ < ρ е) выброс под действием силы тяжести устремляется вверх; при ρ > ρ е— опускается к поверхности земли. Так ведут себя тяжелые углеводородные газообразные топлива и многие токсичные газы (соединения хлора, фтора и других веществ).

Если источник поступления тяжелых газов расположен на поверхности земли, то они стелются и растекаются вдоль подстилающей поверхности в низкие места, следуя рельефу местности. При высотном источнике газы опускаются к земле и их распространение происходит под действием диффузии и ветра в сравнительно тонком приземном слое. Поведение струи тяжелого газа из приподнятого источника иллюстрируется Рис. 3.9. Другой особенностью атмосферного движения выбросов является их поведение в изменяющемся с высотой ветровом потоке.

Известно, что изменение ветра с высотой может оказать существенное влияние на характеристики полей загрязнений от объемного высотного источника, возникшего при взрыве или пожаре и последующем подъеме пылегазовой смеси. Не учет ветрового разворота завышает концентрации токсикантов в воздухе и на поверхности земли и приводит к более жесткому прогнозу последствий аварий, что может оказать влияние не только на тактические, но и на стратегические решения по ликвидации инцидента, которые не будут адекватны действительности.

Рассмотрим механизм изменения ветра с высотой и интерполяционные формулы, позволяющие учесть данный эффект. Под влиянием трения, возникающего между движущимся воздухом и подстилающей поверхностью (сушей или водой) упорядоченное движение потока у поверхности должно прекращаться, то есть скорость на поверхности обращается в нуль. В соответствии с этим с увеличением высоты скорость ветра должна возрастать. Изменяется при этом также и направление ветра, однако не так упорядоченно и не всегда столь равномерно, как скорость и интенсивность турбулентного перемешивания. Эти изменения с высотой всех характеристик ветра, а особенно его скорости и интенсивности турбулентного перемешивания, часто имеют важное значение при рассмотрении технических вопросов и составлении прогнозов развития физической картины продуктов аварии в атмосфере.

Рис. 3.9. Схема движений струйного выброса для легкого (а) и тяжелого (б) газов в случае устойчивой стратификации атмосферы: 1 — устройство поступления загрязнений в атмосеру; 2 — струйный поток; 3 — рассеиваемая примесь; 4а и 46 — приращения динамических высот подъема; 5а и 56 — высоты выбросов на завершающих участках траекторий; 6а и 66 — мнимые источники; 7 — ветер.

Изменения ветра с высотой, как и вертикальные изменения всех других метеорологических параметров, подвержены временным колебаниям из-за погодных условий. Кроме того, они различны в разных географических пунктах из-за различий характера земной поверхности. Направление ветра в пограничном слое атмосферы, примыкающем к поверхности земли, из-за действия силы Кориолиса в среднем постепенно поворачивает вправо. Эффект, обусловленный этой силой, состоит в том, что во вращающейся системе координат, которую представляет Земля, материальная точка или некоторый элементарный объем, состоящий из материальных точек, движущихся не параллельно оси этого вращения, отклоняются в направлении, перпендикулярному их относительной скорости, или оказывают давление на тело, препятствующее такому отклонению.

Средняя скорость ветра плавно изменяется с высотой и может быть описана степенной зависимостью вида [138]:

V z= V 0(z / z 0) р,

где

V z— скорость ветра на высоте z;

V 0— скорость ветра на высоте z 0

причем z < z 0; р — параметр турбулентности, причем 0 ≤ р ≤ 1.

Параметр турбулентности р в этой формуле учитывает пульсационное состояние атмосферы во времени и пространстве при выборе его значений в соответствии с характеристиками подстилающей поверхности. Значение р = 0 соответствует максимально развитому турбулентному перемешиванию, когда весь поток однороден и не зависит от пространственной координаты, а р = 1 соответствует ламинарному течению, линейно ускоряющемуся с ростом z.

Для условий Центральной Европы можно использовать закон изменения ветра с высотой, предложенный Гельманом [138]

V z= V 0(z / z 0) 1/4, при z ≤15 м;

V z= V 0(z / z 0) 1/5, при z > 15 м.

Если имеются данные измерений высотного изменения ветра, то его можно представить в полиномиальном виде:

V Z= Y Z0+ A z + B z 2+ C z 3+ D z 4+…,

причем интерполяционные коэффициенты А, В, С, D — должны быть заданы.

Изменение скорости ветра в пространственно-неоднородном потоке можно описать следующей формулой:

Отрицательные значения угла при росте высотной координаты свидетельствует о том, что поворот потока происходит вправо (то есть против часовой стрелки). Поворот вектора скорости V ∞z происходит от высоты z f, на которой он равен V ∞fи направлен вдоль оси X.

Рассмотрим конкретный пример вычисления по записанной выше формуле направления и скорости ветра на высоте z =1000 м. Вычисляем изменения угла ветрового потока

θ ∞(z =1000 м) = 0.41 рад = 0,41х 57,3 град. = 23,5 град.

Увеличение абсолютного значения скорости ветра вдоль оси X при этом составляет

n = V ∞z/V ∞f= (1000/2) 0’ 2cos 23,5 0= 2,82 х 0,916= 2,58.

Следует иметь ввиду, что увеличение скорости ветра с высотой по приведенным выше формулам описывается лишь в среднем и только для осреднен-ных скоростей. В отдельных случаях могут реализовываться такие метеорологические ситуации, при которых наблюдается как постоянство скорости по высоте, так и ее высотное уменьшение. То же самое относится к мгновенным пульсирующим значениям скорости V z. В целом результаты наблюдений показывают [138], что для интервалов осреднения продолжительностью более 10 минут уменьшение скорости ветра с высотой встречается очень редко, для интервалов в 1 минуту и меньше оно отмечается уже более часто. Поэтому для значений V z, осредненных за короткие временные интервалы, увеличение скорости с высотой происходит медленнее, чем за более длительные интервалы.