CC BY
68
Terra Humana
234 УДК 551.508: 551.585 ББК 26.8
Б.Л. Кожевников
о расчете комплексных оценок агрессивности погодно-климатических условий для техники
Предложена методология определения агрессивности атмосферных условий, основанная на энергетическом представлении о влиянии климатических факторов на технику и на применении аддитивных энтропийно-временных показателей для расчета многофакторных воздействий. Приведены примеры оценки условий в отношении способствования атмосферной коррозии металлов и по общей неблагоприятности функционированию и эксплуатации технических объектов.
Ключевые слова:
агрессивность, жесткость погодно-климатических условий, информационно-статистический метод, методология расчета объективных оценок, нагрузки от воздействующих климатических факторов, термодинамический (термодиссипативный) метод, энергообмен, энтропийно-временные показатели.
В последние десятилетия благоприятные погодно-климатические условия (ПКУ) территорий государств все больше рассматриваются как естественный ресурс, как элемент национального богатства. Применение знаний о погоде и климате на практике является одной из основных задач Всемирной климатической программы.
Однако накопленные данные метеорологических наблюдений и климатических обобщений недооцениваются и недоиспользуются. Так, в частности, метеорологи-климатологи не всегда представляют особенности проектирования, существования, функционирования технических объектов (ТО): изделий, сооружений и материалов, эксплуатируемых в атмосферных условиях, а специалисты от техники, в свою очередь, недостаточно знают возможности метеоро-логов-климатологов. Необходимость преодоления этого барьера разобщенности все больше осознается исследователями.
В результате появилась задача создания новой научно обоснованной методологии (технологии), основанной на более полном использовании накопленных и поступающих метеорологических и климатических данных различных географических районов для технических целей. Данная методология основывается на:
- разработке методологии расчетной оценки качества ПКУ, их агрессивности, жесткости относительно ТО;
- создании на этой основе нового канала взаимодействия и взаимопонимания метеорологов-климатологов и специалистов в области техники.
Анализ позволил сделать вывод о том, что при множестве воздействующих климатических факторов (ВКФ) и разнообразии подверженных их влиянию ТО, по-
видимому единственной возможностью решения задачи создания новой методологии является энергетический подход: через использование универсального энтропийный аппарата, через применение энтропийно-временных показателей нагрузки на ТО со стороны ПКУ
В соответствии с законом сохранения энергии в равновесных условиях энергопотенциалы ТО и атмосферы равны, энергообмена не происходит; в этих условиях покоя система «теряет координату времени».
Напротив, при воздействии ВКФ в системе возникает энергообмен; часть энергии обмена «теряется» в окружающем пространстве. Эти потери происходят как за счет атмосферы, так и черпаются из внутренней энергии ТО. При этом (в соответствии со взглядами Бриллюэна) расходуется «связанная» в структуре ТО энергия, обеспечивающая рабочие свойства ТО; уменьшается негэнтропия структуры ТО, возрастает ее разупорядоченность, ее энтропия. В целом воздействия ВКФ приводят, как правило, к ухудшению качества ТО.
Такое энергетическое понимание действия ВКФ и обобщенное энтропийное истолкование их последствий открывает возможности по расчетной оценке агрессивности ПКУ как по отдельным ВКФ, так и по их комплексам.
Однако расчет абсолютных значений энтропии ТО практически невозможен. Поэтому, для успешного применения энтропийного аппарата анализа необходимо установление некоего исходного состояния системы (например, состояния, в котором энергообмен и производство энтропии отсутствует). Такое исходное состояние атмосферы в технике называется «нормальными условиями». Согласно п. 3.15 ГОСТ
15150 нормальными значениями воздействующих факторов атмосферы являются: температура воздуха - плюс 25 ± 5 °С, его относительная влажность - 45-80 %, атмосферное давление - 840-1067 гПа [2]. Другие стандарты предусматривают возможность использования более широких и более узких интервалов, сдвигов их центральных точек по оси значений ВКФ, а также дополнительные условия: отсутствие ВКФ в виде энергетического солнечного излучения, атмосферных осадков, морских брызг, тумана, высоких концентраций пыли (песка), коррозионно-активных и биологических агентов, загрязнений воздуха.
В неизменных нормальных ПКУ связанная энергия и связанная информация могут сохраняться в структуре ТО бесконечно долго. Это положение широко используется для хранения государственных эталонов единиц физических величин. Нормальные условия стараются обеспечить также в запасниках музеев, в архивах, на складах технических и прочих изделий, в жилых и рабочих помещениях, в кабинах машин. Напротив, условия площадок и навесов хранения в «открытой атмосфере» стандарт определяет как «очень жесткие» и «жесткие» [2].
В нормальных условиях по определению отсутствует энергообмен, следовательно - энергопотенциалы ТО и атмосферы в системе равны. Принимая во внимание это обстоятельство, из дальнейших рассуждений можно исключить ТО, т.е. решать поставленную задачу в рамках только метеорологической системы, состоящей из двух сравниваемых состояний атмосферы. При этом поступающие и накопленные данные могут рассматриваться как информация об «аномальности» ПКУ а ВКФ - как факторы, выводящие систему из состояния покоя, создающие помеху ее равновесию.
Из изложенного следует:
- энтропийный аппарат есть аппарат относительный и для его использования необходимо установление условного исходного состояния («нормальные условия») объекта исследования (в нашем случае - ПКУ);
- с точки зрения энтропийной методологии данные наземных метеорологических измерений (наблюдений) и климатических обобщений представляют собой информацию об «аномальности» ПКУ;
- высокие скорости производства метеоинформации и ее большие количества, накапливаемые за типовые периоды времени, есть признаки низкого качества атмосферных условий, признаки агрессивности, жесткости ПКУ
Последние выводы использованы для создания информационно-статистического метода (ИСМ) оценки агрессивности ПКУ В нем данные метеорологических наблюдений и измерений, выходящие за рамки интервалов нормальных условий, рассматриваются как информационный шум, вносящий необратимые негативные изменения в исследуемую физическую метеорологическую систему. Тогда значения интенсивности шума и его произведенного количества за отдельные временные промежутки (с помощью положений теории информации и информационной теории измерений) могут быть использованы в качестве характеристик агрессивности погодно-климатических условий.
В случае введения в исследования координаты времени с определённой дискретностью (Ат = 1 с) появляется возможность представления первого показателя ИСМ в виде скорости производства информационной энтропии (-q)', бит/с или bps (bits per second)
(-q)' = ЭАН/Эт = (k ln N)/At, (1)
где N - порядковый номер интервала (начиная от интервала нормальных значений) на оси ВКФ, в который попадает результат измерения текущей интенсивности действия ВКФ; k - модуль перевода единиц, равный k = 1/ln 2 = 1,4427 бит/инт.
Интегрирование первого показателя по времени позволяет получить второй показатель ИСМ агрессивности ПКУ, которым является общее количество произведенной ВКФ дезинформации -Q за выбранный типовой период, например, за месяц, квартал, год.
-Q = T(-q) dT или - Q = 2 (-qj Ат; = [(-q)] т, (2) т! i=1 где т = т2 - Tj - выбранный интервал времени, в течение которого определялись текущие значения величины (-q)' , с; [(-q )'] -среднее значение (-q)' за интервал т, bps.
Представление различных по природе ВКФ в виде значений показателей с одинаковой размерностью обеспечивает аддитивность получаемых результатов, т.е. возможность любого комплексирования ВКФ под конкретную задачу технического расчета [5; 8].
Так, данные ГОСТ 16350 и выражения (1) и (2) позволяют рассчитать составляющие для широко применяемого температурно-влажностного комплекса (ТВК) (табл. 1, стр. 1). Максимальным значением выделяется оценка ПКУ «очень холодного» климатического района с представительным пунктом Якутск [3].
Среда обитания
Terra Humana
236 Таблица 1
Годовые нагрузки условий климатических районов, установленных ГОСТ 16350
Годовые нагрузки Представительный пункт
к с н у к « Улан-Удэ Москва Киев Минск Одесса Батуми/ Сухуми Ташкент Ашхабад
1 По влиянию ТВК -Q , •^-твк7 Мбит за год 100,09 89,64 89,28 73,80 88,20 71,28 73,44 71,64 78,48
2 По влиянию коррозионного ТВК QКтвк , Мбит за год 5,90 7,03 18,35 24,54 23,54 24,38 39,77 8,49 8,29
3 По влиянию коррозионного ТВК с учётом осадков и туманов QКтвк+о+т, Мбит за год 17,07 16,22 43,27 39,48 52,54 47,34 52,43 24,79 21,68
4 По влиянию термо-ВКФ (Л^т, кэе за год 10890 4850 2680 1700 2380 1050 320 470 110
5 По влиянию термо-ВКФ Оценка жесткости 39,5 17,6 9,7 6,2 8,6 3,8 1,2 1,7 0,4
6 От влияния коррозионного ТВК ЦЛЗ ) ' і твк7 кэе за год 1190 1659 2111 3942 4130 5034 9860 1441 1311
7 От влияния коррозионного ТВК Оценка жесткости 0,95 1,32 2,20 3,14 3,29 4,00 7,85 1,15 1,10
S От влияния коррозионного ТВК, осадков и туманов 2 Л-S к + + і Ктвк+о+ т кэе за год 1716 1867 3178 4190 4113 5251 12248 1635 1413
Q От влияния коррозионного ТВК, осадков и туманов Оценка жесткости 1,37 1,49 2,53 3,33 3,75 4,18 9,75 1,30 1,17
Известно, что «механизм» атмосферной коррозии металлов (согласно положениям ГОСТ 9.039-74) начинает «работать» при положительных температурах и при относительной влажности воздуха более 75% [4]. Результаты расчетов по ИСМ с учетом этого приведены в табл. 1, стр. 2. В них со всей очевидностью проявляется общепризнанная коррозионная агрессивность «теплого влажного» района субтропиков (Батуми/Сухуми).
В отличие от вероятностно-статистических методов ИСМ за счет аддитивности значений показателя —Q может суммой представить общую коррозионную нагрузку на металлоконструкции при их открытой установке в атмосфере с учетом увлажнения их поверхности жидкими и смешанными осадками, а также туманами (табл. 1, стр. 3).
Величина энтропии помимо информационного толкования имеет классическое термодинамическое (т/д) определение. В принципе т/д энтропия также может быть использована для расчетов комплексных оценок агрессивности ПКУ. Однако в силу исторических причин введение в расчет координаты времени приводит к его чрезмерному усложнению. Эта трудность преодолима с помощью
положений, развитых А.И. Вейником [1]. За счет использования представлений о термическом заряде диссипации и коэффициента необратимости различных видов энергий и их потоков, а также построения соответствующих моделей были определены соотношения, аналогичные (1) и (2), но выраженные уже через т/д энтропию. Эти представления позволили создать термодинамический (термодиссипативный) метод ТДМ оценки технического качества ПКУ [6; 8].
По тем же данным с помощью ТДМ были рассчитаны значения оценок агрессивности ПКУ климатических районов (табл. 1, стр. 4), выраженные для первого показателя в ваттах на моль кельвин, а для второго - в джоулях на моль кельвин или в энтропийных единицах (э. е.) [3]. В отличие от ИСМ, который предполагает абсолютную благоприятность нормальных условий и отсутствие в них любого энергообмена, ТДМ допускает в них наличие следов неблагоприятных процессов. В результате оказалось возможным проводить оценку агрессивности ПКУ приемом, заимствованном из области контроля загрязнения воздуха, т.е. через отношения
значении показателей текущего уровня агрессивности ПКУ к их агрессивности в нормальных условиях (табл. 1, стр. 5).
Для сравнения ИСМ и ТДМ заполним строки 6 и 7 в табл. 1 (аналог стр. 2). Эти данные подтверждают серьезную потенциальную коррозионную опасность ПКУ района влажных субтропиков с позиций термодинамики. Опасность - именно потенциальная, отражающая предрасположенность ПКУ к развитию процессов коррозии металлов, тогда как реализация предрасположенности согласно зависит от наличия и концентрации коррозионноактивных загрязнений воздуха [4].
Для завершения сравнений методов с помощью ТДМ были рассчитаны данные строк 8 и 9 табл. 1 (аналог стр. 3), которые подтвердили сходимость оценок обоих методов.
В результате применения обоих методов одни и те же ПКУ климатических районов оказались оцененными объективными энт-
ропийными расчетами разными значениями показателей - из-за существенной нелинейности их зависимости от интенсивности ВКФ, особенно вблизи интервалов нормальных значений. Основания для приоритетного выбора одного из методов отсутствовали, поэтому был разработан обобщенный энтропийный метод (ОМ), устраняющий недостатки нелинейности исходных методов. При создании ОМ был использован прием построения Международной температурной шкалы МПТШ-68 по реперным точкам, в которых самопроизвольные физико-химические процессы поддерживают определенную температуру. Для построения линеаризованной шкалы ОМ также используются точки с приписными значениями: центральная точка интервала нормальных значений - начало координат оси ВКФ; другие - предельные (либо реперные) точки диапазона воздействий ВКФ, например, для температуры воздуха - точки 0°С и ±100°С.
Таблица 2
Сводная таблица оценок агрессивности, жесткости условий климатических районов
для технических объектов
ВКФ по диагр. рангов* Климатические зайоны по ГОСТ 16350 Среднее значе- ние Значи мость, % Е, %
I: 114 ^6 117 нв и. Ню Нц и12
14,9 10,0 7,4 ,3 7, 6,7 С* 7, 2,5 5,7 4,2 7,3 24 24
• 5,1 4,2 4,0 1,5 5,0 2,7 19,3 3,1 5,2 5,7 19 43
"^шах 3,3 4,9 6,1 5,7 4,9 7,3 4,9 3,3 3.7 5,0 16 59
УСр 2,4 2,6 3,6 2,7 4,3 5,3 2,4 1,9 2,1 3,0 10 69
и 1,4 1,2 3,2 3,2 4,0 3,2 3,8 0,4 1,6 2,6 8 77
Л 2,4 2,4 1,5 1,6 1,6 1,4 1,5 3,0 2,8 2,0 7 84
Оп 1,2 1,3 0,9 1,0 0,9 1,3 1,4 2,0 1,8 1,3 4 88
Ор 1,0 1,2 1,0 1,1 1,0 1,3 1,4 1,6 1,7 1,2 4 92
0,7 0,4 0,3 1,0* 0,2 1,0* 1,0 1,8 2,8 1,0 3 95
0,1 2.2 0.3 1.5 0.4 0.5 0.1 1.8 1.2 0,9 3 98
Р 0,2 1,2 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 1,0 0,5 0,4 1 99
0°С 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,1 0,2 0,1 0,2 >1 1
ТЖп 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,2 0,2 0,1 >1 -
Пб - - - - - - - 0,1 0,1 0,1 >1 -
Е 33,0 31,9 28,7 27,0 29,4 31,7 38,6 26,1 30,0 Е30,8 100
Сред. жест. 2,5 2,5 2,2 2,1 2,3 2,4 3,0 1,9 2,0 2,3
Примечания:
1_ - средняя суточная температура воздуха за декаду самого холодного периода; • - количество и продолжительность жидких и смешанных выпадающих осадков; Ушах - максимальная скорость ветра; Уср - средняя скорость ветра; и - относительная влажность воздуха; Л( - амплитуда (суточного перепада) температуры воздуха; Оп - прямая энергетическая освещенность солнечным излучением; Ор - рассеянная энергетическая освещенность солнечным излучением; ^ - средняя суточная температура воздуха за декаду самого жаркого периода; = - продолжительность
туманов; Р - атмосферное давление; 0°С - продолжительность температуры воздуха ниже 0°С; тЖп - продолжительность жаркого периода; Пб - пыльная буря (поземок).
Среда обитания
Terra Humana
В этих «особенных» точках обеим энтропиям приписывалась взаимная эквивалентность. Через эти точки проводилась прямая (в отдельных случаях - ломанная) линейной зависимости. Расчеты агрессивности ПКУ прежде всего проводились с использованием ТДМ. Полученные результаты с помощью коэффициентов преобразования переводились в значения единиц ИСМ, т.к. на втором этапе к полученным значениям присоединялись группы оценок, неподдающиеся расчету ТДМ. Такие группы непараметризован-ных ВКФ составляли оценки повторяемости опасных явлений погоды (гроз, смерчей и т. п.) за типовые периоды времени (в основном - за год). С помощью ОМ была построена сводная таблица оценок агрессивности ПКУ по ВКФ, включенных в известную априорную диаграмму рангов Коха [11]. Эта диаграмма была построена путем обработки ранговым анализом приоритетных перечней оценок агрессивности ВКФ, составленных большой группой экспертов в области техники. Из анализа табл. 2 следует, что максимальной агрессивностью для техники (с оценкой 19,3) обладают условия влажных субтропиков района Сухуми/Батуми. Как и следовало ожидать, на втором и третьем месте по агрессивности, жесткости находятся условия ПКУ «очень холодного» (Якутск) и «умеренно холодного» (Улан-Удэ) районов с оценками воздействия низких температур воздуха 14,9 и 10,0. Следует заметить, что расчет с применением ОМ проводился
Список литературы:
1. Вейник А.И. Термодинамика.- Минск. Высш. школа, 1968. - 464 с.
2. ГОСТ 15150-69 (СТ СЭВ 6136-86, СТ СЭВ 460-77, СТ СЭВ 991-78) Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды. - М.: Изд. стандартов, 1991. - 58 с.
3. ГОСТ 16350- 80 Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей. - М.: Изд. Стандартов, 1987. - 140 с.
4. ГОСТ 9.039-74 (СТ СЭВ 991-78) ЕСЗКС Коррозия металлов. Коррозионная агрессивность атмосферы. Классификация. - М.: Изд. стандартов, 1979. - 20 с.
5. Кожевников Б.Л. Оценка изменений климата энтропийным информационно-статистическим методом // Метеорологический вестник. Т. 2. - 2009, № 2(3). - С. 140-148 (Интернет-версия: М1р://еНЬгагу. ruZdownloadZ50487038.pdf (22.12.2009)).
6. Кожевников Б.Л. Оценка изменений климата энтропийным термодиссипативным методом // Метеорологический вестник. Т. 2. - 2009, № 2(3). - С. 149-163. (Интернет-версия: http://elibrary.ru/down-badA2282540.pdf (22.12.2009)).
7. Кожевников Б.Л., Волков О.А., Железнов Б.В., Проценко В.А. Способ измерения комфортности условий окружающей воздушной среды для человека при воздействии климатических факторов и устройство для его осуществления. Патент на изобретение № 2376616 // Бюлл. Изобретений. - 2009, № 12. - С. 17.
8. Кожевников Б.Л. Сберегающие ресурсы атмосферы. Расчет для технических целей. - СПб.: ГГО им. А.И. Воейкова, 1991. - 224 с. (Деп. в ИЦ ВНИИГМИ МЦД 04.12.91 № 1103-гм 91).
9. Кожевников Б.Л. Поправочные коэффициенты к межповерочным интервалам метеорологических средств измерений // Труды ГГО, вып. 510. - Л., 1986. - С. 122-128.
10. Кожевников Б.Л. Влияние агрессивности атмосферы на межповерочные интервалы // Труды ГГО, вып. 465. - Л., 1982. - С. 50-55.
11. Кох П.И. Климат и надежность машин. - М.: Машиностроение, 1981. - 174 с.
только по данным районов, перечисленных в табл. 2. Вероятней всего, после аналогичных расчетов для пропущенных районов интервал между 14,9 и 10,0 заполнят значения оценок «холодного» 12 (Салехард) и Арктических районов 111, 112 113.
Предложенные методы ИСМ и ТДМ успешно прошли апробирование при решении научно-производственных задач, а также были использованы для корректировки межповерочных интервалов метеорологических средств измерений [9; 10].
Принимая во внимание совпадение представлений о благоприятности нормальных условий для техники и их комфортности для человека, было подготовлено предложение по использованию описанной методологии в программах автоматических метеорологических станций, обслуживающих население, для выведения на их средства отображения текущих оценок, подобных оценкам табл. 2 [7].
Таким образом, разработана энтропийная методология оцифровки и объективной расчетной оценки агрессивности погодно-климатических условий, которая предназначена для решения многих практических задач проектирования, испытания и эксплуатации технических изделий и строительных объектов, а также может найти применение и для других прикладных целей: для оценок изменений климата, прогнозирования урожаев, для оценок рекреационных возможностей курортов.
