численных экспериментах на моделях общей циркуляции атмосферы.
Местными источниками пыли и дыма, как правило, служат площади оголенных грунтов, карьеры горных выработок, заводы, выпускающие некоторые строительные материалы (например, цементные), металлургические производства. При авариях на них в атмосферу поступает неконтролируемое количество таких загрязнений.
Наибольшую опасность представляют задымления и запыления, привнесенные в данное место извне, так как подобное вторжение является часто совершенно неожиданным. В литературных источниках имеются сообщения о таких случаях.
Например, 19 декабря 1985 г. в Ашхабаде наблюдалась [25] пыльная мгла при нулевой видимости. В это же время такое же явление наблюдалось во многих других районах Средней Азии, удаленных друг от друга на многие сотни километров (в Чарджоуской области, городах Кушка, Сарахс и ряде других). Мгла охватила территорию размерами 250 на 600 км в направлении с юго-запада на северо-восток. Используя данные спутников и аэросиноптические карты Северного полушария, удалось установить, что в указанные районы Средней Азии были воздушными массами перенесены огромные количества пыли с Аравийского полуострова.
Предполагается, что пыль поднялась в воздух ветром, затем струйными тропосферными потоками была перенесена на тысячи км, и благодаря нисходящим воздушным потокам на северо-восточных склонах среднеазиатских гор опустилась в приземные слои атмосферы.
Аналогичная ситуация наблюдалась 8 мая 1987 г. в Якутии. Там отмечалось помутнение воздуха типа дымки и выпадение снега со специфическим запахом. Измерения показали наличие небольших концентраций фосфорорганических отравляющих веществ, которые могли быть доставлены из Ирака и восточной Турции [25]. Этот источник загрязнений был установлен после анализа спутниковой информации и данных аэросиноптических материалов.
Подобные явления задымления с последующим выпадением «грязного» снега отмечались в некоторых пунктах Магаданской области. Территория, захваченная загрязнением, имела протяженность с запада на восток на 600 км и на 150 км с севера на юг. Местные источники подобных загрязнений отсутствуют. Анализ погодных условий показал, что наиболее вероятной причиной такого задымления явился перенос продуктов сгорания древесины при лесных пожарах из Читинской области, а также погодные условия, обусловившие подъем и транспортировку загрязняющих частиц на огромные расстояния.
Подобный региональный, а иногда и глобальный перенос токсичных пылевых и дымовых частиц возможен при авариях промышленных объектов.
Глава IIIТурбулентные выбросы в атмосфере
Расчет турбулентных струйных течений, к которым можно отнести собственно струи, следы, термики и клубы, базируется на некоторых схемах процессов турбулентного обмена и на связях между касательными напряжениями и поперечным градиентом осредненной скорости. В простейших случаях полуэмпирические теории турбулентности Прандтля, Тейлора и др. позволяют свести задачу интегрирования системы дифференциальных уравнений движения — уравнений в частных производных — к интегрированию обыкновенного дифференциального уравнения; причем его решение получается с точностью до экспериментально определяемого множителя. Такие решения, называемые автомодельными, были впервые получены Толлмином, и они явились отправным моментом многочисленных полуэмпирических схем теории турбулентных струйных течений.
Отечественными разработчиками подобных теорий являются Абрамович Г.Н., Гиневский А.С., Вулис Л.А., Лойцанский Л.Г., Голубев В.А. и их сотрудники [91–95]. Ими поставлены и решены важные теоретические и экспериментальные исследования, имеющие принципиальны результаты. Использование этих теорий в расчетах струйных течений, как и в расчетах турбулентных пограничных слоев, оправдывается потребностью решения важных инженерных задач в условиях неполного знания начальных и граничных условий течений, а также тем, что их применение в большинстве случаев удовлетворительно соответствуют экспериментальным данным.
Другим инженерным подходом к решению широкого класса струйных задач является использование понятия вовлечения как некоторой диффузионной функции, интегрально учитывающей процесс взаимного проникновения вещества струи во внешнюю среду и внешней среды в поток. Такой подход развит для изотермических и нагретых газообразных объемов типа термиков или клубов.
В настоящее время существует несколько подходов к решению проблемы создания приближенной аналитической модели турбулентного газообразного объема, движущегося в атмосфере из-за разности плотности его вещества и вещества окружающей среды. Для объемов, имеющих наряду с поступательным движением, как целого, вращение относительно направления движения (термики, вихревые слои) развитие турбулентных движений описывается трехмерными уравнениями Навье-Стокса при задании коэффициентов турбулентного обмена. Решение в этом случае ищется при разложении искомых функций в ряд по малому параметру [86].
Иным решением подобных задач в приближении осесимметричного течения вещества термика или вихревого слоя является решение осредненной по объему системы уравнений Рейнольдса в приближении Буссинеска для автомодельного участка траектории выброса. Такой подход, например, развит в работах Гостинцева Ю.А. и др. [5,17, 88,89]. Изучению всплытия термика в атмосфере в приближении Буссинеска посвящена работа [6], клуба и струи работы [8,13, 29, 33,100].
Газообразные объемы при взрывных авариях, как правило, не имеют единого центра кругового движения газа. Данные о рассматриваемом объекте и окружающей среде при решении задачи движения взрывного клуба в атмосфере носят приближенный оценочный характер и не могут использоваться для детализации картины трехмерного турбулентного движения среды. Поэтому наиболее целесообразным является использование условий и допущений, упрощающих задачу и не искажающих ее физическое содержание. Такими допущениями при решении задачи формирования и движения в атмосфере техногенных выбросов являются следующие:
— выброс представляется в виде правильного геометрического тела (сфера, эллипсоид и т. п.),
— вещество выброса и газодинамические характеристики равномерно распределены по его объему,
— центр приложения массовых сил совпадает с геометрическим центром,
— отсутствует вращательное движение вещества выброса, привязанное к единому его центру.
Для струйных потоков используется допущение о равномерных по сечению значениях макроскопических величин — таких как скорость, температура, концентрация примеси, энтальпия и т. п.
Этот подход, использующий кроме перечисленных предположений, гипотезу пропорциональности между скоростью вовлечения окружающего воздуха в клуб или струйный поток и значением вертикальной скорости его подъема, развит, например, в работах [8 — 10,38]. Он существенно упрощает процедуру расчета и при использовании экспериментальных констант вовлечения и аэродинамического сопротивления движению приводит к успешному решению задачи.
3.1. Атмосферная диффузия и вовлечение окружающей среды в выброс
Диффузией называют распространение вещества в какой-либо среде в направлении убывания его концентрации, обусловленное движением его частиц: атомов, молекул, ионов, броуновских частиц или отдельных элементарных газовых объемов — молей. При ламинарной диффузии вещество распространяется механизмом теплового движения мельчайших частиц на атомно-молекулярном уровне; при турбулентной — этот процесс происходит под влиянием вихревого беспорядочного движения отдельных макроскопических частиц и образований по сложным непредсказуемым траекториям.
Для инженерных расчетов и оценок большой интерес представляют турбулентные движения газообразной и жидкой среды, так как они реализуются в абсолютном большинстве практических задач.
В отличие от ламинарного плавного движения при турбулентном движении среды происходит интенсивное ее перемешивание, и диффузия в ней многократно усиливается. В настоящее время имеются десятки теорий турбулентности и вероятно не меньше объяснений механизма диффузии, хорошо «работающих» в частных случаях, но не являющихся логически завершенными и универсальными. В работе [50] отмечается, что в окончательном виде проблема турбулентной диффузии еще не сформулирована в окончательном виде как единая физическая модель, способная объяснить все ее многообразные аспекты.
К сегодняшнему дню к проблеме диффузии имеются два основных подхода, на базе которых ответвляются более мелкие и частные: теория градиентного переноса и статистическая теория. Согласно теории градиентного переноса диффузия от источника связана с локальным градиентом концентрации его вещества; статистическая теория рассматривает движение частиц как составную часть сплошной среды. Между этими подходами существует близкая связь, так как они описывают одно и то же явление с разных сторон, но имеются и различия.
Теория градиентного переноса от непрерывного точечного источника в атмосфере является эйлеровой — рассматривающей свойства движения жидкости или газа относительно зафиксированной в пространстве системы координат. Статистическая же теория, рассматривающая движение отдельных частиц, является лагранжевой.
Особое место занимают задачи распространения антропогенных выбросов в виде различных струйных течений разной продолжительности, интенсивности и концентрации загрязнений. Диффузия таких выбросов может рассматриваться на основе теории струй, развитой, например, в работах [91–95]. Описание таких течений с помощью системы дифференциальных уравнений связано с трудностями вычислительного характера. Кроме того, в ряде важных конкретных задач этого рода не удается учесть сложные граничные условия и сильное влияние таких эффектов реальной атмосферы, как дальнодействие пульсаций давления, значительная перемежаемость турбулентного потока, неоднородность и не стационарность ветрового потока и т. п.