Научная статья на тему 'Модель негативного экологического влияния летательных аппаратов на селитебную зону в районе расположения аэропортов'

Модель негативного экологического влияния летательных аппаратов на селитебную зону в районе расположения аэропортов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
611
95
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЭКОЛОГИЯ / МОДЕЛИРОВАНИЕ / ДИФФУЗИЯ / ЗАГРЯЗНЕНИЕ / ECOLOGY / MODELLING / DIFFUSION / POLLUTION

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Прохоров Александр Владимирович, Янов Александр Юрьевич

В статье рассматриваются вопросы моделирования диффузии выхлопных газов реактивного самолета в атмосфере и их экологического влияния. При построении аналитической модели используется метод внутренних источников. Проведены расчеты концентрационных полей в приземном слое атмосферы.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Прохоров Александр Владимирович, Янов Александр Юрьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE MODEL OF THE NEGATIVE ECOLOGICAL IMPACT OF FLIGHT VEHICLES ON THE SETTLEMENT ZONE NEAR AIRPORT ELEVATIONS

The article deals with the issues of exhaust gas diffusion modeling of a jet plane in the atmosphere and its ecological impact. The method of internal sources is used for the analytical model building. The authors make calculations of concentration fields in the surface layer of the atmosphere.

Текст научной работы на тему «Модель негативного экологического влияния летательных аппаратов на селитебную зону в районе расположения аэропортов»

МОДЕЛЬ НЕГАТИВНОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА СЕЛИТЕБНУЮ ЗОНУ В РАЙОНЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ АЭРОПОРТОВ

Прохоров Александр Владимирович

канд. техн. наук, доцент, Южно-Уральский государственный университет,

РФ, Челябинская область, г. Озерск E-mail: Prokhorov@bk.ru

Янов Александр Юрьевич

канд. биол. наук, Южно-Уральский государственный университет,

РФ, Челябинская область, г. Озерск E-mail: Al-end@yandex.ru

THE MODEL OF THE NEGATIVE ECOLOGICAL IMPACT OF FLIGHT VEHICLES ON THE SETTLEMENT ZONE NEAR AIRPORT ELEVATIONS

Prokhorov Alexander

Candidate of Engineering Sciences, National Research South Ural State University, Russia, the Chelyabinsk Region, Ozyorsk

Yanov Alexander

Candidate of Biological Sciences, National Research South Ural State University, Russia, the Chelyabinsk Region, Ozyorsk

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются вопросы моделирования диффузии выхлопных газов реактивного самолета в атмосфере и их экологического влияния. При построении аналитической модели используется метод внутренних источников. Проведены расчеты концентрационных полей в приземном слое атмосферы.

Прохоров А.В., Янов А.Ю. Модель негативного экологического влияния летательных аппаратов на селитебную зону в районе расположения аэропортов //

Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2014. № 7 (8) .

URL: http://7universum.com/en/tech/archive/item/1465

ABSTRACT

The article deals with the issues of exhaust gas diffusion modeling of a jet plane in the atmosphere and its ecological impact. The method of internal sources is used for the analytical model building. The authors make calculations of concentration fields in the surface layer of the atmosphere.

Ключевые слова: экология, моделирование, диффузия, загрязнение.

Keywords: ecology, modelling, diffusion, pollution.

Отрицательное влияние на здоровье населения оказывает возрастающее техногенное воздействие. Существенный вклад в техногенное воздействие вносят аэропорты. К неблагоприятным факторам от рядом расположенного аэропорта относят комплекс техногенных составляющих, таких как авиационный шум, вибрация, шумовое загрязнение, газы, выбрасываемые в атмосферу.

Известно, что выхлопные газы двигателей наземного и воздушного транспорта, выбросы тепловых электростанций наносят существенный вред здоровью человека, вызывая различные заболевания и сокращая продолжительность его жизни.

Если распространение выхлопных газов наземного транспорта [1], стационарных объектов загрязнения окружающей среды [2; 3; 10] достаточно хорошо изучено, этого нельзя сказать о загрязняющих веществах, которые выбрасывают в атмосферу самолеты, ракеты и другие аппараты, летящие на разных высотах, с различной скоростью и периодичностью. Так, взлетающие самолеты, двигатели которых во время взлета работают на форсажном режиме, выбрасывают значительное количество не успевшего полностью сгореть топлива, что создает неблагоприятную экологическую обстановку в районе аэропорта и в прилегающей к нему местности, городах-спутниках с многоэтажной застройкой.

Диффузия загрязняющих веществ в окружающей среде описывается дифференциальными уравнениями в частных производных, которые подробно

рассмотрены в работах [4—8]. В этих работах рассматривается применение метода внутренних источников, моделирующих внешнее воздействие. Сущность такого моделирования заключается в нахождении аналитического выражения, описывающего процесс диффундирования примеси в приземном слое атмосферы [9].

Выражение для расчета концентраций загрязняющих веществ получено из решения дифференциального уравнения диффузии в цилиндрических координатах. Оно имеет вид:

Ge

mi =

X exP

2 2 Л

Mk r 4h

Jo 0 (Mkr/h )

J Mk )

exp

\DT

V

V

x

Ph V k=i

где: mt = pj p — концентрация примеси; pt — плотность примеси в атмосфере; p — плотность смеси воздуха и примеси;

Gi — выброс в единицу времени;

h — высота полета;

V — скорость движения аппарата; e =2,73 — основание натурального логарифма;

Хк = pk/h; рк — корни характеристического уравнения;

J0 и J1 — функции Бесселя соответственно нулевого и первого порядка;

DT — коэффициент турбулентной диффузии; r0 — радиус сопла летательного аппарата; x, r — цилиндрические координаты.

Результаты расчета, проведенного при условиях: G =40 кг/с; h =200 м;

Л

V=100 м/с; r0 =0,2 м; DT =50 м/с (начальная фаза взлета самолета до высоты 200 м), приведены на рисунках 1 и 2. Здесь z — расстояние от источника загрязняющих веществ (самолета) в направлении земли.

Рисунок 1. Концентрационные поля примесей в приповерхностном слое атмосферы

Видно, что максимум концентрации вредных примесей у поверхности (z=198 м) практически размыт и находится на расстоянии 10 км позади самолета (рисунок 1). При этом на расстоянии 25 м от поверхности (z=175 м), что соответствует высоте 8—9 этажа жилых зданий, концентрация вредных примесей в 10 раз выше, чем на уровне 1 этажа (z=198). При z=150 (уровень 18—20 этажа, 50 м над поверхностью) содержание загрязняющих веществ в атмосфере возрастает еще в два раза.

Рисунок 2. Концентрационные поля примесей на высоте выше 100 м

В то же время на уровне 30 метров ниже самолета (см. рисунок 2) максимум концентрации загрязняющих веществ ярко выражен, находится в 500 м позади него, и концентрация примеси в нем на четыре порядка выше, чем в приповерхностном слое. При снижении до медианного уровня (z=100 м) концентрационные поля приобретают на расстоянии 1 км позади источника практически линейный безмодальный характер.

При дальнейшем наборе высоты (1000 м) происходит естественное уменьшение концентрации вредных примесей в приземном слое атмосферы за счет диффузии. Результаты расчета, проведенного при условиях: Gi =40 кг/с;

Л

h =1000 м; V =200 м/с; r0 =0,2 м; DT =50 м/с, показывают, что кривые концентрации выбросов имеют максимум, величина и положение которого зависят от расстояния до земли. Для указанных исходных данных в стационарном режиме полета максимальная концентрация оксидов азота на высоте человеческого роста (2 м) превышает ПДК примерно в 10 раз и находится на расстоянии ~ 500 км позади летящего аппарата.

Таким образом, расчеты показывают, что при взлете самолетов в форсажном режиме даже на значительном расстоянии от аэропорта в приповерхностном слое атмосферы наблюдается значительное превышение ПДК загрязняющих веществ. Кроме того, на уровне 8—9 этажей жилых домов, по сравнению с приземным слоем, концентрация примесей повышается в 10 раз, что необходимо учитывать при планировании застройки окрестностей аэродромов и подобных сооружений.

Список литературы:

1. Боярышников М.Г. Статистическая оценка загрязнения территории газовыми выбросами автомобильного транспорта / М.Г. Боярышников // Инженерная экология. — 1999. — № 6. — С. 30—41.

2. Волков Э.П. Контроль загазованности атмосферы выбросами ТЭС /

Э.П. Волков. — М.: Энергоатомиздат, 1986.

3. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. — Л.: Гидрометиздат, 1987.

4. Пашацкий Н.В. Гидроэкология: проблемы малых водоемов, загрязняемых отходами промышленного производства / Н.В. Пашацкий, В.В. Мозин, А.В. Прохоров // Инженерная экология. —2001. —№ 6. — С. 39—45.

5. Пашацкий Н.В. Загрязнение почвы в местах хранения твердых отходов предприятий атомной промышленности / Н.В. Пашацкий, В.В. Мозин, А.В. Прохоров // Инженерная экология. —2002. —№ 2. — С. 18—23.

6. Пашацкий Н.В. Инженерная экология: распространение ЗВ (аварийный выброс из трубы, взрывы) / Н.В. Пашацкий, А.В. Прохоров, В.В. Мозин // Инженерная экология. —2001. — № 5. — С. 14—20.

7. Пашацкий Н.В. Рассеяние выбросов из производственной трубы в воздушном бассейне / Н.В. Пашацкий, А.В. Прохоров, В.В. Мозин // Инженерная экология. —2000. —№ 3. — С. 30—37.

8. Прохоров А.В. Диффузионная модель распространения выбросов в атмосфере / А.В. Прохоров // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. —2010. — № 12. — С. 61—62.

9. Прохоров А.В. Теплопроводность и массообмен в системах

с приповерхностными источниками: дис. ... канд. техн. наук / А.В. Прохоров. — Озерск, 2003.

10. Рихтер А.А. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов тепловых электростанций / А.А. Рихтер. — М.: Энергоатомиздат, 1981.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.