Вадим Романов - Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу

На вихревые структуры распадающейся струи изменяющийся с высотой ветровой поток оказывает вращательное воздействия относительно продольного направления струйного потока (Рис. 3.10.).

Этот физический эффект может быть объяснен возникновением подъемной силы, действующей на вихревые структуры (силы Жуковского Н.Е.):

Y = ρ еV eГ, где

Р е, V e— плотность и скорость потока;

Г — циркуляция скорости.

Выражение для циркуляции отдельных вихрей распадающегося потока записывается так [92]:

где

г — радиус вихря, связанный с толщиной слоя смешения D выражением г = к D;

А, к — константы.

Сила Y действует поперек направления потока, поэтому на каждом последовательном высотном уровне поднимающейся струи вследствие высотного разворота ветра она разворачивает вихревую пару относительно оси потока 1 (см. Рис. 3.10.). При этом поперечная ось вихревой пары поворачивается относительно этого направления, что приводит к «двугорбому» распределению загрязнений по оси z — распределений примесей с двумя максимумами концентраций в горизонтальной плоскости сменяется аналогичным распределением в плоскости близкой к вертикальной.

Рис. 3.10. Схема разрушения струйного движения при пожаре для неустойчивого состояния атмосферы при однородном (а) и переменном по высоте (б) ветре: 0 — место инцидента; 1 — струя; 2 — вертикальные сечения струйного потока (в пл. YZ); 3 — область разрушения струи; За — вихри в горизонтальной плоскости и 36 — в плоскости ветрового разворота; 5 — ветер.

Вихревые структуры движутся относительно основного струйного потока со скоростью

U = Г / 4 π; Y 0,

где Y 0— половина расстояния между вихрями.

Согласно теории Кельвина, изложенной в книге Ламба [160], пара противоположно вращающихся вихрей движется с такой скоростью поступательно вместе с некоторой охватывающей их массой жидкой или газообразной среды.

Оценки, проведенные в работе [92], показывают, что отклонение собственной скорость вихрей от скорости потока не превышает нескольких процентов, и ее влиянием на процессы рассеивания загрязняющих примесей можно пренебречь.

Исследование физических процессов при авариях и их последствий в различных средах, как и во многих других областях науки и практики, приводит к необходимости построения моделей различных процессов и явлений, отражающих реальность. Эти задачи настолько сложны, что для успешного их решения надо умело сочетать теоретические представления в данной области знаний с использованием экспериментальных или статистических данных, относящихся к конкретному явлению.

В области протекания процессов горения детонации и взрыва в настоящее время глубоко разработаны теоретические основы этих явлений [60, 61, 77, 80, 82, 103], заранее известна структура модели и основные зависимости. Экспериментальные данные могут служить здесь лишь для определения отдельных уточняющих параметров модели.

Совершенно иная картина в области изучения формирования и развития кратковременных выбросов в реальной атмосфере. В этой области теоретические знания далеки от точных количественных представлений, а немногочисленные эксперименты [13, 33, 48–52, 133], проведенные в узких диапазонах изменений определяющих параметров, как правило, не дают общей картины явления. Следует отметить, что и в тех областях, где сравнительно хорошо разработана количественная теория (например, подъем термина в стратифицированной атмосфере), исследователь часто сталкивается с задачами, в которых по экспериментальным или статистическим данным требуется не просто определить отдельные параметры модели, но и в существенной мере восстановить общую картину явления, которая заранее может быть ясна лишь в очень грубом приближении или совсем неясна.

К таким задачам относятся, в нашем случае, задачи интерпретации геометрических измерений, когда по данным дальномерных съемок взрывных выбросов требуется определить картину формирования первичного газопылевого выброса, а также построить модель разлета твердой фазы взрыва из источника и подъема перегретого газовоздушного объема, насыщенного твердой фазой различного состава и дисперсности.

Сложная задача построения модели явления в целом, как правило, может быть разложена на этапы и фазы, на каждой из которых с успехом могут быть использованы формализованные методы обработки данных. Такими задачами являются задачи восстановления зависимостей. При решении задачи восстановления неизвестной зависимости по эмпирическим данным первым желанием бывает [84] искать зависимость как можно более общего вида, привлекая как можно большее число аргументов. Однако такой путь неизбежно сталкивается с ограниченностью экспериментального или статистического материала, которым располагает исследователь и ограниченностью вычислительных возможностей. Это противоречие разрешается при использовании структурной минимизации задачи. Она состоит в поиске вначале предельно грубой модели, а затем эта модель постепенно усложняется до достижения оптимального соотношения между точностью аппроксимации эмпирического материала и надежностью результата в условиях ограниченного объема данных.

Важным этапом построения математических моделей физического явления является его верификация, использующая данные экспериментов.

Измерения выбросов загрязняющих веществ в реальной атмосфере, кроме организационных и финансовых затрат, имеет ряд трудностей, связанных с методическими вопросами. Сравнение результатов измерений геометрических характеристик формирующихся в атмосфере объемов, полученных разными методами, является не всегда корректным и может привести к большим различиям.

В первую очередь это связано с тем, что при проведении натурных опытов с использованием измерительных устройств теодолитного типа определяются горизонтальные и вертикальные углы при наведении на граничные контуры выбросов. При этом могут возникнуть большие погрешности, связанные с частичным затенением одних частей объема другими.

Рисунок 3.11 иллюстрирует и частично объясняет противоречивость и нестыковку многих литературных данных о размерах формирующихся в атмосфере выбросов от эквивалентных источников. Кроме неизвестных различий в турбулентной активности воздуха при различных замерах геометрии выбросов существенное значение имеет и фактор места регистрации объекта. Он проявляется в форме зависимости полученных результатов от удаления измерительной аппаратуры от объекта и от его абсолютных размеров.