Вадим Романов - Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу

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.

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 F t, 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 V e— скорость ветра; p e— плотность воздуха; S — площадь миделева сечения частицы; С х— 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.

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.