THE METHOD OF CALCULATION OF THE PROCESS OF NEUTRALIZING THE TOXIC CLOUDS OF MIGRATING IN THE ATMOSPHERE

<jats:p>A new method to calculate the process to NH3 cloud neutralization which is discharged from a helicopter. The method is based on the numerical model of the process. To simulate the process the 3D gradient model is used. The implicit difference scheme is used for calculation.</jats:p>

section_content: Как известно, при разливе жидкого аммиака (перегретая жидкость) в первые моменты времени после аварии образуется первичное облако. Масса аммиака, которая формирует это облако, зависит от метеоусловий и ряда других факторов [1; 3; 6] и в среднем составляет 10…20 % от общей массы разлитого груза. 

Опасность токсичного поражения людей при миграции первичного облака отравляющего вещества требует разработки эффективных технологий по ликвидации такого облака. Одним из методов, наиболее часто применяемом на практике, является подача в облако воды, нейтрализующего раствора от наземной струйкой установки. В этом случае обычно используются пожарные машины, в силу своей мобильности позволяющие «перехватить» облако на пути его следования. Однако во многих случаях применение наземных струйных установок может быть практически неосуществимо. Эта ситуация возникает в условиях сложного рельефа местности, наличия растительности и т. д. Как альтернатива, для ликвидации первичного облака, уменьшения его интенсивности в таких случаях может быть применены летательные аппараты, в частности, вертолеты, которые осуществляют подачу нейтрализатора в облако (рис. 1). Как известно, такая технология используется во многих странах для борьбы с лесными, торфяными пожарами [4] [5] [6]. 

Анализ литературных источников, посвященных проблеме нейтрализации первичного облака аммиака или другого токсичного газа с помощью воздушных средств, показал, что в литературе дается описание данного метода, однако, отсутствуют методы расчета, которые можно было бы применить для решения задачи по оптимизации работ, связанных с нейтрализацией первичного облака. Целью настоящей работы является разработка математической модели и метода расчета нейтрализации токсичного облака путем численного моделирования данного процесса в рамках трехмерного уравнения конвективно-диффузионного переноса примеси в атмосфере.
section_name: Введение

section_content: Метод позволяет на основе вычислительного эксперимента в режиме реального времени решать следующие актуальные задачи:

1. Прогнозировать динамику загрязнения атмосферы при миграции первичного облака аммиака в рамках трехмерной модели. 

2. Оценивать эффективность нейтрализации первичного облака при сбросе в него нейтрализатора от вертолета с учетом метеоусловий, маршрута движения летательного аппарата, концентрации нейтрализующего раствора, режима подачи нейтрализатора. 

3. Определять количество нейтрализованного аммиака в воздухе при выбранной тактике обработки (маршрут, интенсивность выброса и т. д. ).
section_name: Рис. 1. Схема ликвидации облака аммиака

section_content: Для описания миграции облака аммиака (или нейтрализатора) используется трехмерное уравнение переноса примеси ( )

Уравнение (1) дополняется следующими граничными условиями: на поверхности земли

( n -вектор внешней нормали к поверхности); на боковых гранях расчетной области ставятся условия:

Начальное условие имеет вид 0 ϕ = (для нейтрализатора), для аммиака задается его концентрация в первичном облаке. В модели учитывается процесс осаждения капель нейтрализатора под действием силы гравитации со скоростью s w, путем добавления слагаемого - s w ϕ в модель (1), в слагаемое, учитывающее конвективный перенос со скоростью ветра w.
section_name: Математическая модель миграции аммиака и нейтрализатора в воздухе

section_content: Численное интегрирование уравнения переноса аммиака или нейтрализатора осуществляется с использованием неявной попеременнотреугольной разностной схемы расщепления [2]. 

На каждом дробном шаге расчет неизвестного значения концентрации загрязняющего вещества выполняется по схеме бегущего счета. Разностная схема является абсолютно устойчивой. 

Выполним следующую апроксимацию производных, входящих в уравнение (1):

Компоненты скорости потока будем задавать на гранях разностной ячейки. Вторые производные аппроксимируем следующим образом:

M --обозначения разностных операторов. С учетом этих обозначений разностный аналог уравнения (1) будет иметь вид:

Решение данного разностного уравнения при интегрировании на временном интервале dt так:

• на первом шаге

;

• на пятом шаге осуществляется расчет изменения концентрации под действием источников. 

В данные разностные соотношения входит «возмущенный» коэффициент диффузии µ [5]. Для нейтрализации
section_name: Метод решения

section_content: Алгоритм моделирования процесса нейтрализации токсичного облака заключается в следующем:

1) задается форма облака, его размеры, концентрация токсиканта в нем (в численной модели имеется возможность задавать любую форму облака -сферу, «гриб» и т. п. );

2) вводится информация о метеоусловияхскорость, направление ветра значение коэффициентов турбулентной диффузии (в численной модели есть возможность задавать также профиль ветра);

3) задается маршрут движения вертолета, его скорость, режим подачи нейтрализатора;

4) осуществляется моделирование процессов миграции 3 NH, нейтрализатора в атмосфере и расчет количества нейтрализованного аммиака на выбранный момент времени.
section_name: Алгоритм моделирования

section_content: Рассматриваются два сценария ликвидации облака токсичного газа. В первом сценарии движется один вертолет (на рис. 2 стрелками обозначен его маршрут), который осуществляет в течение 30 с выброс нейтрализатора с интенсивностью 50 q = кг/с. Во втором сценарии через 45 с после начала полета первого вертолета, вдоль его трассы начинает двигаться второй вертолет, который с той же интенсивностью осуществляет подачу нейтрализатора в облако. 

Средняя концентрация
section_name: Результаты моделирования