Вадим Романов - Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу

Известно, что совокупность факторов реального физического явления невозможно в полной мере отразить в его математической модели. Чем больше факторов учитывается, тем сложнее анализ явления и расчет по его математической модели. Поэтому целесообразно принять различные условия и допущения, упрощающие решение задачи, но не искажающие ее физическое содержание. Необходимо помнить, что сколь бы ни было точным математическое решение задачи, оно не может быть точнее тех приближенных предпосылок, на которых основано.

Основные предпосылки при решении задачи формирования и движения антропогенных выбросов в атмосфере являются следующие:

— выброс представляется в виде правильного геометрического тела. В случае взрывного выброса — это полусфера. В случае газообразного облака — это либо сфера, либо эллипсоид;

— твердая фаза выброса представляется в виде частиц сферической формы;

— вещество выброса считается равномерно распределенным по его объему, все его газодинамические характеристики осреднены по объему, а центр приложения массовых сил совпадает с геометрическим центром выброса.

При проведении экспериментов, обработке статистических данных и округлении результатов предыдущих расчетов приходится работать с приближенными числами. Присущие им погрешности обуславливают погрешности результата, причем для каждой операций по-своему. Анализируя точность задания исходных данных, можно сделать заключение о возможней точности результата вычислений.

Основными исходными данными задачи изучения атмосферных выбросов являются характеристика аварийного объекта и метео данные. Массовые характеристики горящих объектов или взрываемых изделий могут быть определены с точностью до 4^-5%; термодинамические и теплофизические характеристики продуктов горения или топлив — с точностью до 10 %. Точность линейных размеров + 0,1 м. Метеорологические параметры определяются со следующей погрешностью:

— плотность воздуха + 0,01 кг/мЗ;

— скорость ветра ± 1 м/с;

— направление ветра I град;

— градиенты скорости ветра и температуры атмосферного воздуха ± 0,01.

Методические погрешности при решении задачи возникают, при использовании приближенных формул вместо точных. Этот прием используется при замене функций их разложением в ряды (при интерполяции скорости ветра и температуры атмосферного воздуха в виде полиномов по Z), замене производной — разностью (при замене дифференциальных уравнений — конечноразностными), при заменах интегралов — суммами и т. д. Используя приближенные формулы, применяемые многократно вместо сложной точной формулы, удается в процессе последовательных приближений найти эффективное решение задачи. При этом всегда надо знать диапазон аргумента, для которого они применимы, и точность вычисления по ним. В общем случае при вычислениях на ЭВМ погрешность метода целесообразно выбирать такой, чтобы она была в несколько раз меньше погрешности исходных данных.

При наблюдении с поверхности земли геометрических характеристик, газообразных аварийных выбросов, а также скоростей их перемещения в пространстве как целого из-за погрешностей визуального определения границ их объемов могут быть допущены существенные ошибки в определении указанных величин. Подобные ошибки неизбежно появляются из-за кучевой неоднородной структуры поверхности газообразных выбросов, когда их отдельные выступающие части заслоняются другими [133, 158, 159].

Оценим ошибки в определении характеристик некоторых модельных выбросов.

Случай приземного полусферического выброса реализуется в первые мгновения после взрывной аварии. Исследователь, наблюдающий взрывной выброс радиуса R под углом а к горизонту (Рис. 3.12), фиксирует видимый его размер г = R · Cos α.

Из геометрических построений этого рисунка легко получить для дефекта радиуса следующее выражение

ΔR = R— г = R(1 — Cos α)

На графике этого рисунка приводится зависимость относительной ошибки в определении радиуса выброса от угла α. Как следует из этого графика резко увеличивается при увеличении угла наблюдения α ≈ 18 ÷ 20°. Приемлемые (менее 5 %) ошибки будут при α < 20°.

Кратковременный выброс после отрыва от земли хорошо моделируется сферой. Он характеризуется радиусом R, геометрическими координатами центра масс X и (Z+R) (см. Рис. 3.13), а также углами α и β. Эти углы определяются видимыми наблюдателю из точки М частями поверхности выброса — дугами К А и КД. Как следует из этого рисунка наблюдатель видит выброс уменьшенным в вертикальном направлении на величину (h B+h H), а в горизонтальном направлении на величину (Х в+ Х н). Найдем эти характеристики из геометрических построений рисунка. Из рассмотрения прямоугольников МАО, АВО, СДО и ДОМ находим центральные углы АО В и СОД:

∠AОВ = 2α + β;

∠СОД = β.

Из прямоугольных треугольников АОВ и СОД получаем связь геометрических параметров в виде:

Откуда для наблюдаемых дефектов вертикальных и горизонтальных размеров сферического выброса находим:

Таким образом, вертикальный и горизонтальный видимые размеры сферического приподнятого выброса описываются следующими соотношениями:

Найдем относительные ошибки в визуальном определении геометрических характеристик выброса [133].

Из соотношений (3.47) — (3.50) находим относительную ошибку в определении вертикального и горизонтального размеров сферического приподнятого выброса. Получаем:

Рис. 3.12. Зависимость относительной ошибки в определении радиуса первичного выброса от угла наблюдений.