Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу. Справочное пособие - Вадим Романов

М2 =М1 +Q0Δt + ESΔt ,

M2 i=M1 i+Q0Ci0Δt + ESCieΔt ,

M2V2 = M1V1 + g(ρe – ρ)νΔt ,

P = Pe ,

M2Ξ2 = M1 Ξ1 + Q0qTΔt + ESΞeΔt + ΔQФП + WjqxΔt – HΔt где:

M, Mi – масса вещества выброса и масса i-ой примеси в нем,

Q0 – расходная функция формирующегося выброса,

Сi – массовая концентрация i – ой примеси, Сi =Мi/М ,

Ξ, Ξе – полные энергии единицы массы вещества выброса и окружающей среды,

р, v,V,S – плотность выброса, его объем, скорость его движения и площадь вовлечения Е в него окружающей среды,

g – ускорение земного притяжения,

qT – теплотворная способность топлива,

Р – давление газа или пара,

Wi– скорость образования i -ой примеси в результате химических реакций с теплотой образования qx в объеме выброса,

ΔQФП – теплота фазовых переходов (парообразования или конденсации для жидкой испаряющейся части выброса),

Н – потери энергии выброса (излучение, контакт с подстилающей поверхностью, с выпадающей примесью и т.п. ).

Индексы «1» и «2» относятся к соответствующим моментам времени t2 = t1 +Δt , индексы "0" и "е" относятся к параметрам истечения и параметрам окружающей среды.

При рассмотрении струйного течения конечноразностные уравнения записываются относительно поточных характеристик: расхода вещества и примеси, потоков количества движения и энергии.

Полученные нами [41, 43-46, 73] конечно разностные уравнения при устремлении временного интервала Δt к нулю преобразуются в дифференциальные. Их решение при задании начальных условий, параметров окружающей среды и характеристик объекта (геометрических и термодинамических) позволяют решать задачу нахождения геометрических, динамических, тепловых и концентрационных характеристик турбулентного объема (выброса), движущегося в произвольной окружающей среде.

1.5. Определяющие параметры физико-математических моделей.

Исследованиям физических процессов, описывающих возникновение и эволюцию выбросов загрязняющих и токсичных веществ в атмосфере, посвящено большое количество работ. Получаемые результаты на различных этапах по отдельным вопросам или по проблеме в целом обобщались в монографиях и книгах, а также периодических изданиях. Основная часть работ по тематике твердофазных выбросов посвящена фракционированию и образованию частиц при ядерных и химических взрывах [48, 49, 50-61], физическим характеристикам отдельных частиц от мощных воздушных взрывов, выпадению частиц из взрывного облака. Однако взрывной разлет твердой фазы взрыва в ветровом потоке не привлекал внимания исследователей.

Подробно разлет частиц при взрывах разных веществ и в разных сосудах в условиях спокойной атмосферы рассмотрен в работе [77]. Анализируя данные работ, рассматривающих возникновение и движение в атмосфере твердофазных частиц, можно сделать вывод о наиболее важных параметрах подобных задач. Ими являются энергетические свойства ВВ и механические свойства подстилающей поверхности. В работе [73] рассмотрено движение частиц после взрыва в ветровом потоке и сделан вывод о необходимости в дополнение к вышеназванным параметрам еще учета метеорологических параметров в месте проведения работ. Только при этом условии можно ожидать получения правильной расчетной информации о динамических и геометрических характеристиках твердой фазы взрыва и о характеристиках плотности ее выпадения на поверхность земли.

Обобщая данные о физических процессах возникновения и движения в атмосфере частиц, можно сделать вывод, что определяющими параметрами при создании физико-математических моделей твердофазных кратковременных выбросов являются:

– массовые, энергетические и термодинамические характеристики ВВ, участвующих в процессе аварии;

– массовые и геометрические характеристики аварийного объекта или его взорвавшейся части;

– прочностные и массовые характеристики подстилающей поверхности (грунта);

– метеорологические данные;

– временные, геометрические и конструкционные особенности освобождения энергии и рабочего тела (сценарий и схема выброса, приподнятость над поверхностью земли и т.п.).

Что касается физических процессов возникновения и движения в атмосфере газообразных выбросов, то таких исследований в настоящее время достаточно много. Основная их часть проведена в лабораторных условиях.

Рассмотрены выбросы продуктов горения высококалорийных топлив, изучается детонация ВВ в начальной фазе развития взрывного выброса и в процессе его теплового всплытия. Рассматриваются термики и вихревые кольца [3, 5, 6, 38-40], а также кратковременные выбросы в виде однородных клубов [ 7-15, 24, 35-37]. Необходимо отметить, что строгие математические модели для описания таких процессов создать чрезвычайно трудно, поскольку, с одной стороны, не ясна физическая картина развития течения в условиях неполной информации о самом объекте и об окружающей среде, с другой стороны, трудности численных решений термогидродинамических уравнений создают принципиальные и часто непреодолимые препятствия. В связи с этим исследователи часто ограничиваются моделями, использующими для описания начального распределения примеси в пространстве данные натурных наблюдений.

Совместное рассмотрение эмпирических данных и результатов математического моделирования позволяет сделать достаточно объективную оценку геометрических характеристик выброса, включая высоту его подъема и объем, а также его динамические характеристики и начальное распределение загрязняющей примеси в атмосфере. Эти данные являются входными параметрами для задачи распространения примеси в атмосфере.

Обобщая результаты отмеченных выше работ, можно сделать вывод о том, что исходными данными для построения таких моделей должны быть динамические и энергетические характеристики выброса, а также начальное распределение загрязняющей примеси в пространстве и распределения метеорологических параметров.

Определяющими параметрами при создании физико-математических моделей газообразных выбросов являются:

– характер выброса по продолжительности выхода рабочего тела (мгновенный, кратковременный, продолжительный);

– массовые, энергетические и динамические характеристики сформировавшегося выброса;

– физические характеристики твердой и аэрозольной фазы в выбросе;

– данные о возможных химических реакциях и фазовых переходах;

– метеоданные, включая информацию о высотных градиентах метеорологических параметров.

Таким образом, принципы создания физико-математических моделей возникновения и движения в атмосфере выбросов загрязняющих и токсичных веществ основываются на выделении и детальном анализе основных определяющих характеристик объекта исследования. К наиболее общим основным особенностям исследования относятся:

– учет специфики выброса по характеру фазы (твердофазные, газообразные);

– учет зависимости типа выброса от времени действия источника и турбулизации вещества выброса;

– учет общей энергии и ее долей, вносимых источником в выброс;

– учет массовых и энергетических характеристик рабочего тела;

– учет метеоданных и их высотных распределений;

– учет данных о возможных химических реакциях и фазовых переходах.

1.6. Атмосферные источники загрязнений при авариях

Антропогенные аварии, как правило, сопровождаются поступлением в окружающую среду загрязнений в газообразном, жидком или твердом виде. Их физико-химические характеристики соответствуют параметрам рабочих тел, из которых на месте происшествия образуется собственно первичный источник загрязнений. Его формирование заканчивается с окончанием поступления в атмосферу вещества и выравниванием его давления до значений давления в окружающем пространстве.

Вторичный атмосферный источник возникает как естественное продолжение первичного источника в пространстве или во времени. В реальной турбулентной атмосфере быстро возникающий газообразный вторичный источник в виде компактного объема имеет практически однородную структуру макроскопических характеристик. Поэтому такие источники представляют в виде клубов хорошо перемешанного (однородного) вещества с центром приложения массовых сил в геометрическом центре объема [3].

При длительном поступлении рабочего тела в атмосферу возникают струи, а при промежуточном между кратковременным и стационарным в пространстве может сформироваться сложный газовый объем, моделирование физических характеристик которого весьма проблематично. В этом случае прибегают к модельной замене реального объекта правильными геометрическими телами типа полусферы, сферы, цилиндра и т.п. или комбинациями таких тел. В частности, линейный и точечный источники являются идеализациями источников конечных размеров при устремлении их характерных размеров к нулю.