CC BY
21
НЕКОТОРЫЕ ПОДХОДЫ К ПОСТРОЕНИЮ МОДЕЛИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ АВТОТРАНСПОРТНЫМИ ВЫБРОСАМИ
С.А. Добровольский, А.Д. Потапов, П.И. Кашперюк
МГСУ
В статье рассмотрены общие вопросы возможного построения теоретической модели рассеяния загрязнителей от автотранспорта на базе вероятностной оценки формирования выбросов вдоль автомагистралей.
In article the general questions of possible construction of theoretical model of dispersion gas mixes from motor transport on the basis of a likelihood estimation of formation of emissions along highways are considered.
Автотранспортные выбросы загрязнителей, находящиеся в газообразном агрегатном состоянии перемещаются в окружающей среде, естественно. в воздушной среде. Тяжелые металлы, входящие в состав автотранспортных выбросов, как показали многочисленные исследования выпадают в ближайшей 150-200метровой зоне, прилегающей к автомагистралям. Высота собственного падения флоккулы загрязнителя на длине пути от распада струи до касания земной поверхности будет прямо пропорциональна средней вертикальной составляющей турбулентного оседания флоккулы, которая по своим размерам много меньше моля. Поскольку после распада газообразной струи вредные газообразные вещества продолжают свое движение со «средним ветром», с определенной степенью турбулентности то вектор рассеяния будет случаен по своему направлению. Поскольку все направления этого вектора равновероятностны, то среднее значение равно математическому ожиданию проекции его на вертикальную ось. Решение для средней скорости вертикальной составляющей турбулентного оседания (выпадения) флоккулы загрязненного газового выброса действительно для следующих условий:
-плотность вредного газа (или его составляющих) относительно плотности среды, где он распространяется, больше 1,0;
- для газообразных загрязнителей, плотность которых меньше плотности окружающего воздуха, величина средней вертикальной составляющей турбулентного оседания флоккулы - всегда отрицательна;
-в случаях, когда плотность газообразных загрязнителей равна плотности воздуха (метиловый спирт, углерода оксид), то формируются фиктивные флоккулы;
-в случаях, когда плотность газообразных загрязнителей больше плотности воздуха (соединения с тяжелыми металлами), то сформированные флоккулы находятся в неустойчивом состоянии и процесс оседания их скоротечен.
В том случае, когда уравнение движения газов совпадает с уравнением движения атмосферного воздуха вдоль земной поверхности, рядом исследователей предлагается отдельно рассматривать установившееся течение среды и движение частиц, содержащихся в турбулентном потоке этой среды.
ВЕСТНИК 4/2010
Для предварительных оценок принимаем, что турбулентное движение является однородным и изотропным в большей области пространства и определяется средней скоростью, степенью турбулентности и масштабами турбулентности.
Поскольку концентрация ингредиентов в газовых выбросах меньше 1,0, то флоккулы удалены друг от друга на большие расстояния и при движении флоккулы (без учета соседних флоккул) «траектория» ее должна зависеть от высоты подъема и плотности ингредиента газа относительно воздуха, а также концентрации газообразного загрязнителя в плоскости, перпендикулярной направлению скорости потока с учетом коэффициента турбулентного обмена, интенсивности турбулентности потока то достаточно несложно получить экспоненциальную зависимость, показывающую величины рассеяния газообразных загрязнителей на различных расстояниях от источника выброса. В нашем случае выброс загрязнителей не носит точечного характера, а представляет собой совокупность рассеянных точечных выбросов, построенных в виде линии вдоль оси автомагистрали, поэтому рассеяние протекает от источников в виде случайно изменяющейся полосы с различной степенью концентрации собственно точечных выбросов. Конечно, здесь следует располагать информацией о значениях пульсационной скорости, о ветре. Частота загрязнения полосы вдоль автомагистрали определялась для теплого периода года с учетом розы ветров и расположения относительно сторон света, главным образом под воздействием юго-западного ветра, частота появления которого составляет 15%. Средняя скорость ветра около 2,0 м/с, что в первом приближении, позволяет положить значение угла направления рассеяния, равным 30°.
В этом случае, частота загрязнения, зависящая от направления ветра, оказалась близкой к 10 %
Анализ выпадения различных газообразных выбросов позволил установить, что максимальная концентрация приходится на расстояние Ь0 = 140 м, отсчитываемое от места распада струи газовоздушной смеси, истекающей из устья источника выброса.
По шкале Бофорта ветер с *^<>=2,0 м/с относится к слабым; порывистость ветра (степень турбулентности) равна 0,22.
Частота слабых ветров для условий участка исследований 30 - 35%. Тогда частота загрязнения рассматриваемого пункта составит около 30 суток.
Так как газовоздушная смесь поступает в атмосферный воздух, то в таком случае загрязнение приземного слоя атмосферы вредными веществами от работающего двигателя автомобиля — есть процесс взаимодействия двух струйных течений - свободной турбулентной струи и ветра, как движения атмосферного воздуха вдоль земной поверхности. Оценим процесс взаимодействующих потоков с помощью частотного спектра или спектра по волновым числам, способного описывать распределение пульсационной энергии по частотам и тем самым по масштабам вихрей.
Спектральная теория турбулентности А.Н. Колмогорова исходит из того, что энергия осредненного движения передается сначала пульсациями низких частот, от них переходит к все более и более высоким частотам, пока последние не достигнут предела, обусловленного вязкостью. Здесь следует сказать, что для разных условий частоты в потоке зависят от типа вихря - крупномасшабные и мелкомасштабные пульсации
Таким образом, свободная турбулентная струя газообразных загрязнителей, истекающая из выхлопной трубы автомобиля, как поток газов конечных поперечных размеров существует в диапазоне частот, ограниченных значениями скорости диссипации, частот, длины волны в вихре.
Другое струйное течение, взаимодействующее со струей выброса - поток ветра, обладающий полупериодом возрастания скорости и полупериодом уменьшением скорости при этом величина периода порывистости ветра практически не зависит от скорости самого ветра.
С учетом изложенного выше, следует утверждать, что свободная турбулентная струя , истекающая из выхлопной трубы автомобиля, существует в диапазоне частот со = 63 с Л..500 с -1. Можно утверждать, что на высоте 5 мот уровня земной поверхности распада свободной турбулентной струи газообразных загрязнителей, истекающих из выхлопной трубы автомобиля, не происходит.
Применяя среднеквадратичное отклонение для оценки вероятности попадания проб с примесью в интервал -2 м, имеем, что вероятность составляет Р = 0,758 (75,8%); а вероятность проб воздуха с примесью на высоте более 2 м составит 1 - Р = 1 - 0,758 = 0,242 или 24,2%. Вероятность обнаружения примеси на высоте 5,0 м оказывается менее 0,01. Следовательно, процесс истечения от автомобилей, принятый в ОНД-86 при высоте 5 м, не отражает реальной картины истечения газовоздушной смеси из выхлопной трубы, а следовательно, и распространения вредных веществ в приземном слое атмосферы.
Ключевые слова: автотранспортные выбросы, окружающая среда, тяжелые металлы, автомагистраль, струя, земная поверхность, турбулентное оседание, газообразная струя, вредные газообразные вещества
Keywords: motor transportation emissions, environment, heavy metals, a highway, a stream, a terrestrial surface, turbulent subsidence, the gaseous stream, harmful gaseous substances
Соавтор статьи член Редакционного совета «Вестника МГСУ» профессор д.т.н. А.Д. Потапов
