Теоретическое и экспериментальное моделирование процессов рассеяния теплых и переохлажденных туманов в атмосфере Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 551.576

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАССЕЯНИЯ ТЕПЛЫХ И ПЕРЕОХЛАЖДЕННЫХ ТУМАНОВ В АТМОСФЕРЕ

© 2009 г. М.И. Тлисов, Б.М. Хучунаев, А.В. Шаповалов

Высокогорный геофизический институт, Highmountain Geophysical Institute,

360030, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 2, 360030, KBR, Nalchick, Lenin Ave, 2,

vgikbr@rambler.ru vgikbr@rambler.ru

Представлены методика и результаты расчетов вымывания капель тумана искусственными каплями. Приведены описание аппаратуры и результаты лабораторного моделирования рассеяния теплых туманов при воздействии различными реагентами и методами. Представлены результаты исследования конденсационных свойств экологически чистых реагентов, разработанных в Высокогорном геофизическом институте, состоящие из раствора соли тетрабутиламмония бромистого (Rj) и тетрабутилам-мония йодистого (R2) в экологически чистом фреоне 134а.

Ключевые слова: туманы, рассеяние, конденсационные свойства, экологически чистые реагенты.

The technique and results of calculations of washing away of drops of a fog by artificial drops. The equipment and results of laboratory modeling of dissipation of warm fogs are resulted at influence by various reagents and methods. Also results of research condensating properties of ecologically pure reagents developed in Highmountain Geophysical Institute, salts consisting of a solution tetrabutilammoniya bromic (Rj) and tetrabutilammoniya iodide (R2) in ecologically pure freon 134а are resulted.

Keywords: fogs, dispersion, condinsating properties, ecologically pure reagents.

Рассеяние теплых туманов имеет большое практическое и научное значение, так как 95 % туманов на земле приходятся именно на теплые.

Создание эффективных методов активного воздействия на туманы требует исследования их эволюции в естественных условиях и при активном воздействии. В связи с этим являются актуальными разработки ме-

тодов расчета характеристик тумана при различных условиях, в частности, метеорологической дальности видимости (МДВ).

В данной статье приводятся методика и результаты расчетов по оценке вымывания капель тумана искусственными каплями. Рассматривается туман с начальной концентрацией капель 108-109 м-3 и размера-

ми от 1 до 16 мкм, а также искусственные капли с радиусами 300, 600, 1000, 1800 мкм и концентрациями 103, 5-103 и 104 м-3. При активном воздействии варьировались размер и концентрация искусственных капель. Расчеты выполнены по детальным уравнениям коагуляции [1, 2].

В статье приводятся описание аппаратуры и результаты лабораторного моделирования рассеяния теплых туманов при воздействии различными реагентами и методами. Также приведены результаты исследования конденсационных свойств экологически чистых реагентов, разработанных в ВГИ, состоящие из раствора соли тетрабутиламмония бромистого и тетрабутиламмония йодистого ^2) в экологически чистом фреоне 134а.

Результаты математического моделирования рассеяния теплых туманов

1. Краткое описание модели. Модель построена в предположении падения искусственных капель радиусом г2 сквозь туман, состоящий из микронных капель с функцией распределения по массам/\(ш) [1, 2].

Убыль мелких капель при коагуляции с искусственными каплями описывается выражением [2]

ж 03

-^т^-МтУ\К(т, ш'у /2(т') <Ы , (1) 0/ 0 где /\(ш) - функция распределения по массам капель тумана; /2(ш) - функция распределения по массам искусственных капель.

Коэффициент коагуляции капель радиусами г1 и г2 определяется выражением

К(г1,г2) = л-(г1 +г2)2 -|у! -у2|-£(г1;г2), (2)

где Е(г1,г2) = г02/(г1+г2)2 - коэффициент слияния капель; у1 - скорость капель радиусом г1; у2 - скорость искусственных капель радиусом г2 [2].

Цель моделирования заключается в расчете функции распределения капель тумана в различные моменты времени при заданных концентрациях искусственных капель и капель тумана.

Считается, что частицы тумана состоят из трех фракций с заданными концентрациями. Введение градаций по размерам мелких и крупных капель приводит к системе коагуляционных уравнений для отдельных размеров частиц [1].

Метеорологическая дальность видимости МДВ рассчитывалась по формуле

¿= / 2. (3)

П\'Г\ + П2'Г2

где Ь - безразмерный коэффициент, равный 0,62; п1 и п2 - концентрация капель тумана и искусственных капель соответственно; г1 и г2 - их радиусы. Вторым слагаемым в знаменателе (3) можно пренебречь, так как искусственные капли выпадают на землю.

Расход воды при активном воздействии на туман оценивается следующим образом: считается, что засев искусственными каплями осуществляется в верхнем

слое над площадкой S = 25000 м (50 х 500 м).

Масса воды для воздействия q2 рассчитывалась по формуле

Ч2=т2'П2--

(4)

где т2 = л'г2 'Рв ~ масса искусственной капли

воды; рв - плотность воды.

Расход воды М определяется по следующей формуле

М = (5)

где V = 5" • ЛЛ - объем засеваемого слоя тумана; А/г -слой засева; £ - площадь засева; t - время воздействия.

2. Результаты расчетов рассеяния тумана при распылении искусственных капель. На основе изложенной выше методики были выполнены расчеты по рассеянию тумана с различными характеристиками.

Для искусственных капель радиусом 300 мкм при концентрации 103 м-3 водность составляет 0,113 г/м3, для концентраций 5 • 103 и 104 м-3 она, соответственно, принимает значения 0,565 и 1,13 г/м3. Установившаяся скорость падения искусственных капель равна 2,47 м/с.

Рассчитывались концентрации капель, водности и дальности видимости в тумане в зависимости от времени при внесении в него искусственных капель воды, а также количество воды, необходимое для рассеяния тумана.

Проведены расчеты, в которых варьировались параметры искусственных капель и тумана. Некоторые результаты расчетов представлены ниже.

При моделировании АВ на туман, состоящий из капель размерами от 1 до 10 мкм, искусственными каплями радиусом г2 = 300 мкм и п2 = 103 - 104 м-3 за время 120 с получено, что МДВ при АВ изменяется незначительно. Таким образом, воздействие на туман искусственными каплями с г2 = 300 мкм не дает нужного эффекта.

Расчетный вариант с г2 = 600 мкм.

Исходные данные для искусственных капель: п2 -концентрация 10000 м-3; - водность 9,04 г/м3; г2 -радиус 600 мкм; у2 - скорость падения 4,64 м/с; ш2 = 904 •Ю-6 г; М0 = 9,04 г/м3.

Исходные данные для капель тумана: п1 - концентрация 109 м-3; q\ - водность 0,523 г/м3; г - радиус 4, 5, 6 мкм.

В результате активного воздействия в течение времени t = 120 с получены изменения характеристик тумана в следующих пределах: концентрация капель -с 109 до 3,29-107 м-3; водность - с 0,523 до 0,0147 г/м3; МДВ - с 25,3 до 855 м (табл. 1).

Эффект достаточно высокий. Расход воды при этом удовлетворительный для практики (М ~ 27 т).

Таким образом, проведенные расчеты показывают, что процесс рассеяния тумана искусственными каплями при определенном соотношении размеров достаточно эффективен, что дает основание не исключать этот метод как возможный метод воздействия на теплые туманы.

Таблица 1

Изменение характеристик тумана со временем при коагуляции с искусственными каплями

Время, t, с Концентрация, Щ м-3 Водность, q1, г/м3 МДВ, L, м

0 109 0,523 25,3

10 7,48-108 0,387 34,1

20 5,61-108 0,286 45,9

30 4,20-108 0,212 61,8

40 3,16-108 0,157 83,0

50 2,37-108 0,116 111

60 1,78-108 0,0863 150

70 1,34-108 0,0641 200

80 1,01108 0,0477 268

90 7,63-107 0,0355 359

100 5,76-107 0,0264 480

110 4,35-107 0,0197 641

120 3,29-107 0,0147 855

Для практической реализации данного метода необходимо разработать генераторы капель диаметром 1 - 4 мм.

Лабораторные исследования рассеяния теплых туманов

Аппаратура и методика исследования конденсационных свойств реагентов. Исследование конденсационных свойств реагентов проводили с помощью термодиффузионной камеры (ТДК) Град-3. Основными элементами камеры являются две термостатируемых поверхности, одна из которых является столиком, на который помещается исследуемый объект. Вторая поверхность является источником пара (лед или вода) и располагается вокруг столика (рис. 1).

6

Рис. 1. Термодиффузионная камера Град-3: 1 - подложка; 2 - охлаждаемый столик; 3 - источник пара; 4 - термобатареи; 5 - прозрачный экран; 6 - микроскоп

Поверхности охлаждаются с помощью термобатарей. Принцип работы термобатарей основан на эффекте Пельтье, заключающемся в том, что при прохождении постоянного тока через последовательную цепь разнородных проводников в зоне их электрического контакта, в зависимости от направления тока, выделя-

ется или поглощается некоторое количество тепла. Те-плопоглощающие спаи находятся в тепловом контакте с термостатируемыми поверхностями, которые либо охлаждаются, либо нагреваются в зависимости от температуры статирования. Наружная поверхность термо-статируемого кольца состоит из ряда концентрических канавок, в которых заливается вода или намораживается лед, которые служат источником пара.

Камера имеет электронный блок управления, который позволяет установке автоматически выходить на заданный температурный режим работы и поддерживать его (температуры столика и источника пара, пересыщение) в течение длительного времени и с высокой точностью. Температуры столика и источника могут изменяться в пределах от -25 до + 10 °С. Точность термостатирования -0,1°. Камера помещена в герметичный блок, чтобы исключить внешние воздействия. В камере над столиком имеется прозрачный экран, через который ведется наблюдение за процессами кристаллизации и конденсации водяных паров на аэрозольных частицах визуально и с помощью оптического микроскопа. В термодиффузионную камеру дополнительно введен тонкий гидрофобный экран, которым можно открыть и закрыть пробу полностью или какой-то ее участок, чтобы процесс кристаллизации или конденсации проходил только после установления заданного режима.

В данной работе проведено исследование конденсационных свойств реагента Я2 (удельный выход активных центров образования капель, время проявления конденсационных свойств аэрозолей реагента). Для сравнения проведены исследования аналогичных свойств реагента Я1 и хорошо известного как гигроскопическое вещество хлористого натрия.

Навеску №С1 испаряли с помощью танталовой лодочки, нагреваемой электрическим током. После перемешивания аэрозоль осаждали на стеклянные подложки, покрытые гидрофобной пленкой. Осаждение аэрозоля на подложки производили с помощью щелевой импакторной ловушки (рис. 2).

о о

а,-

н

Рис. 2. Схема забора пробы с помощью импакторной ловушки: 1 - щелевое сопло; 2 - подложка; 3 - держатель подложки; 4 - вал вращения

Основным узлом импакторной ловушки является щелевое сопло с переменным профилем захода (гиперболический профиль). В нашей ловушке ширина щели составляет 0,4 мм, поэтому на расстоянии 3-3,5 мм от ее среза, перпендикулярно потоку располагается стеклянная подложка. Подложка покрыта гидрофобной пленкой, на которой происходит осаждение аэрозольных частиц, и может вращаться вокруг оси с постоянной скоростью. Осажденные аэрозольные частицы располагаются на подложке в виде кольца. Для проса-сывания воздуха с аэрозольными частицами используется вакуумный насос. Схема забора пробы показана на рис. 2.

Результаты исследований конденсационных свойств реагентов. Эксперименты по исследованию конденсационных свойств реагентов проводили при температурах столика вблизи 0 °С. Температура источника пара устанавливалась такая, чтобы величина пересыщения пара составляла 102 %. Кроме подсчета числа капель, образовавшихся на центрах конденсации, измерялось время, в течение которого появлялись капли после удаления экрана, прикрывающего подложку.

В табл. 2 представлены результаты исследования конденсационных свойств реагентов Я1 , Я2 и №С1.

Результаты исследования реагентов

Ri R2 NaCl

Темпе- Время Средний Темпе- Время Средний Темпе- Время Средний

ратура появ- выход ратура появ- выход ратура появ- выход

подложки, ления центров, подложки, ления центров, подложки, ления центров,

°С ядер, с г-1 °С ядер, мин г-1 °С ядер, с г-1

0 15 0 1 0 5

0 1 0 5 0 3

0 0 1012-1014 0 5 1012-1014 0 5 109-1010

0 2 0 2 0 0

0 0 0 3,5 0 2

+1 3 +i 3 +i 0

+1 0 +i 5 +i 5

+1 5 +i 1 +1 3

+1 0 +i 1,5 +i 2

+1 3 +i i,5 +i 0

+2 3 +2 3 +2 0

+2 0 +2 i +2 3

+2 3 +2 5 +2 1

+2 0 +2 3 +2 1

+2 3 +2 2 +2 2

чин. Реагент Я2 уступает Я1 и №С1 по времени проявления ядер конденсации, но имеет такой же выход центров образования капель с 1 г, как и Я1 .

Методика и результаты эксперимента по рассеянию теплых туманов

Теплый водяной туман создается в облачной камере путем запуска горячего водяного пара температурой 97-100 °С, а в охлажденной до нужной температуры облачной камере при помощи вентилятора перемешивается.

Реагенты Я1,Я2 в камеру вводились при помощи генератора аэрозолей и микродозатора. КОН и №ОИ выводились в камеру после возгонки на устройстве. Воздействие тепловым генератором проводилось непосредственно в камере. Тепловой генератор представляет собой электрический обогреватель с вентилятором, мощность которого 600 Вт. Скорость потока воздуха 4-5 м/с. Время воздействия тепловым генератором во всех экспериментах составляло одну минуту. Количество вводимого в камеру пара во всех экспериментах было одинаковым (50 г). Оценка эффективности рассеяния теплых туманов проводилась по выражению ' ) = 1 — /| / /2 ■ гДе '1 • >2 ~ время полного рассеяния тумана при воздействии и без воздействия. В экспериментах фиксировался и промежуточный этап рассеяния туманов, время от начала воздействия до появления видимого изображения черных концентрических кругов на противоположной стороне камеры. Расстояние от наблюдателя до кругов 2 м. Количество вводимого реагента в камеру составляла 6-8 мг. В табл. 3 приведены значения Э для различных реагентов.

Как видно из таблицы, наиболее эффективным способом рассеяния теплых туманов из использованных нами методов является тепловой, однако он довольно дорогой, для рассеяния 1 м3 тумана в камере необходимо около 1 Вт/мин электроэнергии.

Таблица 2

Время появления капель при / = 0 с обозначает, что после открытия экрана на подложке сразу видны капли.

Анализ результатов показывает, что капли на аэрозольных частицах №С1 и Я1 появляются в течение 1,5 - 2 с и меньше. На частицах Я2 капли появляются значительно позже, через 2,5 - 3 мин, т.е. конденсационные свойства Я2 хуже, чем у Я1 и №С1. Кроме определения времени появления капель, подсчитывалось число центров образования капель. Определено, что с 1 г реагента Я1 образуется 1012 - 1014 центров образования капель, столько же образуется и с 1 г реагента Я2, а вот с 1 г №С1 - 109 -1010 центров. Таким образом, по времени проявления ядер конденсации реагент Я1 и №СЬ близки, но в то же время число ядер конденсации с 1 г реагента Я1 больше на несколько порядков вели-

Таблица 3

Результаты рассеяния теплых туманов различными реагентами

Эффек- КОН NaOH Реагент Жидкий Тепловой

тивность R2 азот метод

Температура 0-3 °С

Э=1-Г1/Г2 0,27 0,21 0,26 0,1 0,72

Температура 8-10 °С

Э=1-Г1/Г2 0,25 0,17 0,15 0,08 0,63

Необходимо отметить, что время от начала воздействия до появления видимого изображения черных концентрических кругов на противоположной стороне камеры во всех случаях с воздействием и без воздействия в пределах ошибок измерении не изменялось.

По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

1. В случае АВ на туман каплями радиусом 600 мкм значимый эффект получается при концентрации 104 м-3. МДВ при этом достигает значения 103 м от начальной ее величины 25 м за 120 с. Расход воды составляет приблизительно 27 т.

2. Воздействие каплями с г2 = 1800 мкм наиболее эффективно при всех рассмотренных концентрациях искусственных капель (п2 = 103 м-3, п2 = 5 • 103 м-3 и п2 = 104 м-3) и капель тумана. МДВ увеличивается на 500 - 1000 м за время 10 - 30 с.

5. Проведены исследования конденсационных свойств реагентов с помощью термодиффузионной камеры (ТДК) Град-3.

6. Наиболее эффективным способом рассеяния теплых туманов из использованных нами методов является тепловой. При температуре от 0 до 3 °С эффективность рассеяния тумана для реагента КОН соста-

Поступила в редакцию_

вила 0,27; для №ОН - 0,21; для реагента ВГИ - 0,26; для жидкого азота - 0,1; для теплового метода - 0,72. При температуре 8 - 10 °С эффективность рассеяния тумана для реагента КОН составила 0,5; для №ОН -0,17, для реагента ВГИ - 0,08; для жидкого азота -0,08; для теплового метода - 0,63.

Полученные результаты могут быть применены при адаптации технических средств для АВ на теплые туманы, а также для вымывания различных микропримесей из воздуха.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 06-05-96650.

Литература

1. Численное моделирование облаков / Е.Л. Коган [и др.]. М., 1984. 186 с.

2. Мазин И.П., Шметер С.М. Облака. Строение и физика образования. Л., 1983. 280 с.

_1 сентября 2008 г.