CC BY
49
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551.509.313.1+551.511 В.А. Шкляев, К.Г. Шварц
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ПРИМЕСИ В НИЖНЕМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ, СВЯЗАННЫХ С ВЫБРОСАМИ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ ПРИ АНОМАЛЬНОМ ТЕМПЕРАТУРНОМ НАГРЕВЕ
Представлены результаты численных расчетов, полученных на основе выведенной квазидвумерной модели распространения примеси от мощного теплового источника (на примере возгорания нефти) с учетом неоднородности турбулентной диффузии над источником и вне его. Расчеты показали, что в результате линейного и нелинейного взаимодействия неоднородного горизонтального градиента температуры в области воздействия теплового факела в нижней атмосфере формируется мощное вихревое движение над местом возгорания нефти. Формируемое поле ветра может существенно изменять характер распространения примеси в окрестности источника.
Ключевые слова: диффузия примеси, горизонтальные температурные градиенты, вихревые структуры.
Значительное число техногенных катастроф, имеющих экологические последствия, сопровождается поступлением в атмосферу загрязняющих веществ. При возгорании разлитой нефти процессы последующего распространения примеси могут быть осложнены мощным нагревом от источника тепла. В результате интенсивного нагрева атмосферы над его источником формируется система восходящих и нисходящих движений, которая вносит возмущение в поле горизонтального движения. Формируемая конвективная струя играет роль препятствия, и процессы его обтекания будут подобны обтеканию стержня в горизонтальном потоке. Ниже по течению после препятствия образуется система вихрей (вихревая дорожка). В горизонтальной плоскости при обтекании сформировавшейся конвективной струи формируются локальные вихревые структуры, создающие своеобразный режим переноса выделяющихся вредных примесей в нижнем слое атмосферы [2; 4]. Для оценки возможного ущерба, наносимого компонентам природной среды, и определения зон воздействия при аварийных ситуациях, а также для уточнения размеров санитарно-защитных зон объектов нефтедобычи, необходимо исследовать условия, нарушающие стационарное распространение вредных веществ при различных вариантах функционирования источника выбросов и состояниях атмосферы. Проводимые с этой целью расчеты должны основываться на системе уравнений глубокой конвекции [3; 8]. Подобные системы использовались для исследования процессов развития конвективного облака, для оценки вертикальных потоков различных субстанций и для моделирования конвективных облаков в целях искусственных воздействий на них [1; 5-8]. В нашем случае определенный интерес представляет распространение вредных примесей от конвективной струи, поэтому система уравнений гидротермодинамики дополнялась уравнением турбулентной диффузии примеси. Источник тепла зависит от количества разлившихся горящих нефтепродуктов и может быть достаточно мощным. Факел горения может подниматься на высоту десятков и сотен метров и в этом случае тепловой источник может рассматриваться как высотный. Большая температура горения и значительные размеры факела требуют оценки радиационного излучения.
В случае сухой атмосферы можно не учитывать процессы фазовых переходов. Используемая система уравнений, а также вывод модели приведен в работе [4]. Учитывая высокую температуру горения, мы дополнительно определяли радиационный поток тепла. Он рассчитывался в соответствии с законом Стефана-Больцмана.
Граничные условия задаются отдельно для источника горячей примеси и вне его. Количество выделяемого тепла при горении нефти оценивалось по количеству разлитой нефти в пределах области обваловки. Вне источника стратификация атмосферы считалась устойчивой, а над источником определялась условиями конвекции.
Необходимые для расчетов параметры были определены в соответствии с выбранной мощностью источника тепла и известным состоянием атмосферы. Высота пограничного слоя принималась равной 300 м; коэффициент горизонтальной турбулентной диффузии вне источника - 200 м2/с, над источником - 500 м2/с; другие параметры приведены дополнительно в таблице.
Используемые константы и параметры
Параметр Значение
Вертикальный температурный градиент 0,52*10-2°/м
Вертикальная скорость конвективной струи 30 м/с
Температура поверхности источника возгорания 1000°
Потенциальная температура вне источника 238°К
Мощность источника (соединения серы) 0,9996 г/(с*м2)
Оценки радиационного излучения от горящего факела показали, что оно составляет около 5% тепловой мощности источника, и этими процессами в дальнейшем пренебрегали.
Ограничимся рассмотрением только мезомасштабных процессов. Численные расчеты проводились на основе полученной системы с помощью явной конечно-разностной схемы, на сетке 250 х 250 узлов, для квадратной площадки длиной 100 км. Боковые границы области считались свободными и теплоизолированными. Были получены поля концентрации примеси, температуры воздуха, функции тока и возмущений функции тока. В качестве обобщающих количественных характеристик использовались максимальные значения концентрации на оси факела; средние значения скорости ветра в слое над источником примеси; максимальные возмущения функции тока, вызванные влиянием перечисленных факторов.
Расчеты показали, что в нижнем слое атмосферы формируется мощное нестационарное вихревое движение над местом возгорания нефти, которое существенно влияет на характер распространения примеси в окрестности источника. Его характер зависит от нелинейного воздействия неоднородного горизонтального градиента температуры, которое описывает перенос завихренности термического ветра самим термическим ветром. В зависимости от неоднородности турбулентной диффузии над источником и вне его возможно несколько сценариев формирования вихря: стационарный одиночный, диполь и нестационарный. Первый случай возможен при отсутствии завихренности термического ветра вне источника и отрицательном значении завихренности термического ветра над источником (рис. 1а).
а) б)
X X
Рис.1. Стационарный вихрь (а) и диполь (б)
Второй случай - диполь наблюдается, когда завихренность термического ветра одного знака над источником и вне его (рис. 1б). Нестационарное развитие вихрей наблюдается, когда существуют завихренности термического ветра различного знака над источником и вне его. В этом случае при относительно слабом вращении воздуха над источником тепла происходит периодическое возникновение вихрей разной направленности, которые отрываются от конвективной струи и сносятся по потоку. При этом факел примеси и тепла также испытывает периодические колебания, отклоняясь севернее или южнее от направления потока (рис. 2).
158
В.А. Шкляев, К.Г. Шварц
2010. Вып. 4
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 0.56 0.58 0.6 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 0.56 0.58 0.6 0.62 0.64
Рис.2. Поле функции тока (а), возмущения функции тока (б), концентрации (в), температуры (г) при развитии циклонического вихря, а также концентрации (д) и температуры (е) при смене направления вращения
В результате исследования были получены следующие выводы.
Полученная модель в явном виде учитывает линейные и нелинейные воздействия термического ветра на формирование вихревых течений. Температурные неоднородности над мощным источником тепла изменяют поле скорости ветра. Концентрационные и температурные градиенты усиливают горизонтальную диффузию примеси.
Численные эксперименты, полученные на основе предлагаемой модели показали, что под линейным и нелинейным взаимодействием неоднородного термического ветра и неоднородной турбулентной диффузии в нижней атмосфере создаются условия для формирования адвективных волн в потоке. Формируется мощное вихревое движение над источником интенсивного нагрева. Вихрь может быть стационарным, развиваться в диполь или, периодически меняя направление вращения, отрываться от формируемой его конвективной струи. Характер развития вихрей существенно влияет на поле температуры и концентрации примеси в окрестности источника.
Работа поддержана тематическим планом НИР ПГУ 1.13.10 «Вихревые течения в природе и технике».
1. Аристов С.Н., Шварц К.Г. Вихревые течения адвективной природы во вращающемся слое жидкости / Перм.ун-т. Пермь, 2006. 155 с.
2. Аристов С.Н., Фрик П.Г. Крупномасштабная турбулентность в тонком слое неизотермической вращающейся жидкости // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1988. №4. С.48-55.
3. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М., Непомнящий А.А. Устойчивость конвективных течений. М.: Наука, 1989. 320 с.
4. Шварц К.Г., Шкляев В.А. Распространение примеси в атмосфере от антропогенного источника при условии интенсивного нагрева // Потоки и структуры в жидкостях: Междунар. конф., 20 - 23 июня 2005 г. Москва: тез. докл. М., 2005. С. 319-322.
5. Шварц К.Г., Шкляев В.А. Моделирование мезомасштабных атмосферных процессов над большим городом // Метеорология и гидрология. 1994. № 9. С.29-38.
6. Шварц К.Г. Двумерная модель мезомасштабных атмосферных процессов над крупным промышленным городом // Вычислительные технологии: сб. науч. тр. ИВТ РАН. Новосибирск. 1995. №13. С.326-335.
7. Шварц К.Г. Квазидвумерная модель распространения реагирующей примеси в мезомасштабном пограничном слое при наличии источника холода // География и регион. IX. Природопользование и экологический мониторинг: материалы Междунар. науч.-практ.конф. / Перм. ун-т. Пермь, 2002. С. 195-200.
8. Schwarz K.G., Shklyaev V.A. Modeling the propagation of cold contaminent in atmosphere following accidental spilling of volatile liquid. Fluxes and Structures in Fluids -2003. International Conference. Selected Papers edited by Yu.D.Chashechkin and V.G.Baydulov. Institute for Problems in Mechanics of the RAS. Moscow, 2004. P. 172-175.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Поступила в редакцию 20.10.10
V.A. Shklyaev, K. G. Shvarts
Simulation of the processes of admixture propagation in the lower atmosphere, related to powerful ejections at abnormal heating
The article covers the results of the numeric calculations received on the basis of the obtained two-dimensional model of propagation of admixture from a powerful thermal source (by the example of oil ignition) in view of discontinuity of turbulent diffusion above a source and outside of it. The calculations have shown that as a result of linear and nonlinear interaction of an inhomogeneous horizontal gradient of temperature in the field of effect of a thermal torch in the lower atmosphere a powerful vortical movement is formed above the place of oil ignition. The formed field of wind can essentially change the character of propagation of the admixture in the vicinity of the source.
Keywords: diffusion of impurity, horizontal gradients of temperature, vertical structures.
Шкляев Владимир Александрович, кандидат географических наук, доцент ГОУВПО «Пермский государственный университет» 610990, Россия, г. Пермь, ул. Букирева, 15 E-mail: shkliaev@psu.ru
Shklyaev V.A, candidate of geography, associate professor Perm State University 610990, Russia, Perm, Bukireva str., 15 E-mail: shkliaev@psu.ru
Шварц Константин Григорьевич, доктор физико-математических наук, доцент ГОУВПО «Пермский государственный университет» 610990, Россия, г. Пермь, Ул. Букирева, 15 E-mail: kosch@psu.ru
Shvarts K.G., doctor of physics and mathematics,
associate professor
Perm State University
610990, Russia, Perm, Bukireva str., 15
E-mail: kosch@psu.ru
