Влияние водяных завес на распространение потока примеси

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ И ЛИКВИДАЦИЯ ЧС

УДК 614.878

Г.В. Котов, Т.В. Сидорович

ВЛИЯНИЕ ВОДЯНЫХ ЗАВЕС НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОТОКА ПРИМЕСИ

Представлены результаты исследований закономерностей распространения примеси, образующейся в результате испарения с поверхности жидкого пролива, в пределах фактической зоны заражения на примере хлора. Полученные результаты математического моделирования сравниваются с данными натурных испытаний. Сделаны выводы о влиянии водяных завес, используемых в ходе ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросом (проливом) опасных химических веществ, на распространение потока примеси в приземном слое атмосферы.

Ключевые слова: источник хлора, приземный слой, турбулентное рассеивание примеси, водяные завесы.

G. Kotov, T. Sidorovich WATER CURTAINS EFFECT ON THE DISTRIBUTION OF IMPURITY FLOW

The article presents the results of distribution analysis of impurities evaporating from the liquid spill surface within the limits of actual contamination zone through the example of chlorine. The obtained results of mathematical modeling are compared with the field tests data. The study summarizes water curtains effect on impurity flow distribution within atmosphere surface layer during emergencies related to the emission or spill of hazardous chemicals.

Keywords: source of chlorine, surface layer, turbulent diffusion of impurity, water curtains.

Использование водяных завес является основным способом ограничения распространения опасных химических веществ, поступающих в атмосферу в случае их аварийного выброса, в условиях ликвидации последствий чрезвычайной ситуации. Формирование облака примеси и его распространение в приземном слое имеет особенности, определяемые целым рядом факторов. Ещё более сложным оказывается процесс переноса примеси в пределах фактической зоны заражения в условиях искусственного ограничения распространения формирующегося облака заражённого воздуха. До настоящего времени механизм влияния наиболее широко используемого средства для ограничения распространения заражённого воздуха - водяных завес - остаётся малоизученным. Учитывая это, целью настоящей работы является исследование закономерностей распространения потока примеси, на примере хлора, в приземном слое атмосферы в условиях применения водяных завес.

Моделирование переноса примеси в приземном слое атмосферы. В гауссовых моделях переноса примеси в приземном слое предполагается, что при сохранении характера термодинамической устойчивости атмосферы, постоянстве направления и скорости ветра рассеивание нейтрально плавучей примеси в горизонтальном и вертикальном направлениях происходит независимо друг от друга [1]. При этом учёт физических факторов, влияющих на перенос, рассеивание и осаждение примеси, выполняется введением ряда поправок. Однако для расчёта приземных концентраций при слабом ветре или штиле применение гауссовых моделей приводит к неверному определению концентраций вблизи источника загрязнения. В случаях аварий, сопровождающихся проливом опасных химических веществ, задача прогнозирования глубины фактической зоны заражения и концентрационных полей примеси осложняется необходимостью учёта специфических особенностей, присущих таким веществам, сложным характером переноса воздушных масс в относительно небольших областях вблизи земной поверхности, различиями физических механизмов на отдельных этапах процесса аварии [2]. Следует отметить, что пролив жидкости с температурой кипения ниже температуры окружающей среды является источником примеси сложного типа

(хлор, приближение «тяжёлого газа»). Известны случаи возникновения таких проливов значительных размеров и глубин, способных к продолжительному существованию.

В настоящее время при моделировании процессов распространения примесей предпочтение отдаётся совместному численному решению (в 2- и 3-мерной постановке) уравнений движения среды и полуэмпирических уравнений турбулентности в декартовых координатах. В этом случае предоставляется возможность учесть перенос примеси в направлении потока, молекулярную и турбулентную диффузии, конвекцию, пространственно-временную неоднородность параметров рассеивания, взаимодействие примеси с подстилающей поверхностью и верхней границей слоя перемешивания, сухое и влажное осаждение на подстилающую поверхность, трансформацию примеси и другие факторы. В случае турбулентного потока, содержащего мелкие плотные частицы, обычно принимается допущение, заключающееся в том, что их объёмная и массовая доли малы, и вклад частиц примеси в величину плотности смеси невелик. Тем не менее, обратное динамическое воздействие частиц на поток может оказаться существенным из-за влияния силы тяжести. Обычно размеры частиц полагаются много меньшими тейлоровского масштаба турбулентности, поэтому они переносятся вихрями вместе с потоком, но опускаются относительно него с определённой скоростью. Результаты, полученные средствами численного моделирования, являются полезными с научной точки зрения, т. к. помогают расширить (или снизить) области применимости уже известных и хорошо себя зарекомендовавших моделей. С практической точки зрения такие результаты позволяют построить качественно достоверную картину распространения облака заражённого воздуха вблизи места пролива.

Запишем модель тяжёлых газовых выбросов в приземном слое атмосферы с учётом действия силы тяжести, конвективного переноса воздушными массами и турбулентным перемешиванием с окружающим воздухом в двумерной постановке [3 - 5]. Будем считать, что газ химически устойчив и фазовые переходы отсутствуют. Система уравнений, описывающих движение газа, включает в себя уравнение неразрывности, уравнения импульсов, уравнение диффузии, уравнение теплопроводности и уравнение состояния смеси тяжёлого газа и воздуха.

Постановка задачи. В качестве модельного объекта, являющегося источником загрязняющей примеси, поступающей в атмосферу, выбран пролив жидкого хлора (рисунок 1).

Область моделирования представляла собой прямоугольник высотой 20 м, длиной 110 м в направлении ветра. На поверхности расположен источник жидкого хлора (пролив) размером 1м2, расположенный на расстоянии 10 м от левой входной грани по направлению ветра: левая граница источника хлора имеет координаты (10,0); правая - (11,0). Ось X направлена по направлению ветра, ось У — перпендикулярно поверхности [8].

Граничные условия. На верхней грани расчётной области задавались условия симметрии. На входной грани - переменная по высоте скорость ветра. Эмпирический закон [1] изменения скорости ветра с высотой:

*

и

к

где г0 - г* - параметр шероховатости.

Скорость на верхней границе задавалась таким образом, чтобы обеспечить скорость ветра на высоте 2 м, равную 1,1 — 1,43 м/с, что обеспечивало соответствующее условиям натурных испытаний [10] значение массового расхода хлора с поверхности пролива (0,006 кг/с). На выходной грани - условия постоянного давления (атмосферного).

Кроме этого, на входе задавалось изменение температуры воздуха по высоте. В частности, задавалось линейное изменение температуры с постоянным градиентом

Т = Т0+^г.

аг

Параметры этого линейного распределения - температура на поверхности земли Т0 и градиент должны варьироваться в соответствии с типами стратификации атмосферы по высоте. йх

Мощность источника хлора (кг/с), поступающего в атмосферный воздух при испарении с поверхности пролива жидкого хлора при вынужденной конвекции газового потока, описывается уравнением [9]:

О = 2,08-1СГ9 5,38 + 4, \и Рр Г л/м ,

где и - скорость движения воздуха над поверхностью испарения; ^ - площадь пролива; М=70,91 - относительная молекулярная масса хлора; р(Т) - парциальное давление паров хлора над поверхностью пролива при температуре Т, которое рассчитывается как

ко = 9,950--

273 + Т

В табл. 1 представлены несколько вариантов расчётов, характеризующихся разной интенсивностью поступления газообразной примеси в воздух, температурами почвы и набегающего воздуха.

Таблица 1

Варианты выполненных расчётов при температуре пролива 238 К

№ Интенсивность Температура Температура Скорость ветра

п/п испарения, кг/с почвы, К воздуха, К на высоте 2 м, м/с

1 0,60 313 293 1,6

2 0,60 313 283 1,6

3 0,06 313 293 1,6

4 0,60 313 293 4,3

5 0,006 273 283 1,43

Результаты. В настоящем вычислительном эксперименте рассмотрены случаи: 1) с несколькими вариантами распространения хлора в зависимости от мощности его источника при отсутствии преград; 2) наличия преграды, представляющей собой пористое тело высотой 3 м, расположенное на расстоянии 8 м от левой границы источника хлора; 3) наличия преграды, представляющей собой движущуюся стенку высотой 3 м.

Для второго и третьего вариантов принималось условие неизменности температуры по высоте и температура почвы и воздуха по варианту 5.

направление ветра

пролив хлора почва

Рис. 1. Фрагмент расчётной области

4 / 1 / 2 А \ 3

1 3 >,005 еар.1 еар.З вар 4 • вар 2 -

—г— 2

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 *

0

2

/=0,1 2 * вар.2 3 еар.З 1  вар 1 4 Bsp 4

I

\ \ Ч

- 3

0 .1 . Т . 1 .

10 20 30 40 50 60 70

00 100 110 х

1,0

0,50

0,25

.....I

У=0,2 2 • вар.2 3 вар 3 1 * вэр 1 4 вар4

•

• \

¡> /4 Г > "V;

•"Г

10 20 30 40 SO

70 60 90 100 110 X

Рис. 2. Объёмная доля примеси на высотах 0,005; 0,1 и 0,2 м при отсутствии препятствий

Распределение объёмной доли тяжёлого газа при отсутствии препятствий на высотах 0,005; 0,1 и 0,2 м над поверхностью с уровнем шероховатости, характерным для сельхозугодий, представлено на рис. 1. Хорошо видно (рис. 2а, б, в), что для вариантов 1 и 2 область высоких концентраций «тяжёлого» газа распространилась против направления ветра и загрязнила территорию перед источником хлора, равную 5 характерным размерам (за характерный размер принимаем ширину пролива хлора в направлении ветра). Несмотря на рост интенсивности испарения хлора с поверхности пролива с увеличением скорости ветра, величина встречного растекания под напором набегающего потока воздуха уменьшается. Этот эффект необходимо учитывать при организации мероприятий по ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. Анализ результатов расчёта профилей продольной и поперечной составляющей скорости и интенсивности турбулентных пульсаций представлен в [11].

Отсюда можно сделать вывод о том, что в случае, когда температура почвы превышает температуру набегающего воздуха, влиянием сил плавучести пренебречь нельзя. Хлор перераспределяется, концентрация на поверхности почвы уменьшается, а на высоте 10 см увеличивается и тянется далеко от источника, рассеиваясь в приземном слое. Максимум концентрации расположен над поверхностью и вблизи источника примеси, но значение его

для случая более горячей почвы ниже, чем для случая, когда почва холоднее набегающего воздуха. Следовательно, концентрация хлора на высоте человеческого роста для классов атмосферы А, В, С (по Паскуиллу — Гиффорду [1]) увеличивается при уменьшении концентрации на поверхности земли (на расстоянии размера шероховатости). Случайное увеличение высоты частицы приводит к возникновению подъёмной силы и соответствующего ускорения. Неустойчиво стратифицированный пограничный слой (называемый также конвективным) развивается обычно к полудню за счёт нагревания подстилающей поверхности солнечной радиацией и турбулентное рассеяние тяжёлой примеси в конвективном пограничном слое выражено наиболее сильно.

Для варианта 5 размер хлорной «шапки» невелик, скорость ветра на высоте 2 м составляет 1,43 м/с. Растекание хлора навстречу ветру вблизи поверхности пролива становится незначительным. При отсутствии препятствий хлор стелется вдоль поверхности почвы, слабо мигрируя в пределах расчётной области по высоте. Уже на высоте, равной 0,12 характерных размеров, его концентрация не представляет опасности.

При наличии перегородок на пути распространения паров хлора картина меняется. Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что поток захватывается и отклоняется

С

1,0

0,75

0,50

0,25

0,00

а

С

0

б

С

0,75

0,00

в

восходящими струями (рис. 3), а вблизи поверхности почвы - проходит сквозь систему струй. Хорошо видно, что происходит торможение потока перед завесой. Частицы примеси вовлекаются в вертикальное движение, вследствие чего происходит «перетекание» потока через завесу.

а б

Рис. 3. Захват (а) и рассеивание (б) примеси движущимися водяными струями

Выполнены расчёты концентрационных полей хлора, распространяющегося с поверхности модельного пролива, при условии, что на пути движения потока установлена пористая перегородка или стенка с вертикальным направлением движения поверхности. На рис. 4 для варианта 5 представлены изолинии объёмной концентрации (доли) хлора при отсутствии и наличии препятствий на пути распространения в виде пористой перегородки (высотой 3 характерных размера) и движущейся стенки той же высоты (скорость движения стенки в одном случае принята за 1, во втором - в 3 раза выше).

0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0,04 0,02 0.00

нет препятствий I коиионтоаиия С

п 1 - 0.1 2-0.01.  10'

Ног.. 3

гт*-*т~*тттт т т * * ^ ч г» __

---------- ЦП 1 » а ч

20 40

80 100 *

в г

Рис. 4. Изолинии концентрации хлора над поверхностью почвы для среднемассовой скорости испарения q = 0,006 кг/с (вариант 5) Вид изолиний (рис. 4б) свидетельствует о том, что после прохождения потоком пористого препятствия происходит не простое, как считалось раньше, проникновение потока сквозь препят-

а

ствие, а имеет место значительное увеличение толщины слоя, в котором распространяется примесь. Пористая перегородка, стоящая на пути распространения воздушного потока, ведёт себя как полупрозрачная преграда, характеризующаяся некоторой пропускательной способностью, влияющей на рассеивание примеси в окружающей среде. Пористая перегородка (без учёта адсорбции хлора её стенками) приводит к росту «размазывания» концентрации хлора по высоте (рис. 4б). Видно, что линия для объёмной концентрации, равной 0,01 (кривая 2 на рис. 3а, б), переместилась вверх.

Результаты вычислительного эксперимента показывают (рис. 4), что движущиеся перегородки приводят к захвату, отрыву от почвы и интенсивному выбросу хлора на большую высоту, где он подхватывается турбулентными вихрями и рассеивается (рис. 4в, г). Чем больше скорость движения стенки, тем на большей высоте располагается область с высокими концентрациями хлора. На высоте выше человеческого роста его содержание достаточно велико, что следует учитывать при обеспечении безопасности ликвидационных мероприятий.

Сопоставление картин течения на рис. 3, 4 и 5 позволяет говорить о качественном соответствии результатов натурного и вычислительного экспериментов. Отчётливо прослеживаются области, соответствующие изменению траектории и захвату примеси.

4,67е-01 4,ЗЗе-01 4,00е-01 3,67е-01 3,ЗЗе-01 3,00е-01 2,67е-01 2,ЗЗе-01

2,00е-01 1,676-01 1,336-01 1,006-01 6,67е-02 3,ЗЗе-02 0,00е+00

Рис. 5. Захват примеси водяными струями: а - визуализация натурного эксперимента; б - расчёт с учётом представления струй движущейся стенкой

На рис. 6 хорошо видно, как происходит изменение формы потока примеси при его прохождении сквозь объём завесы. Примесь, двигаясь в составе достаточно компактного потока, достигнув зоны действия завесы, изменяет свою траекторию, как следствие, поток значительно расширяется. Следует отметить интересную особенность, замеченную в ходе натурных испытаний, заключающуюся в том, что при прохождении потоком, содержащим примесь, зоны действия завесы происходит его разделение. Наблюдается достаточно высокий приповерхностный слой, являющийся, по всей видимости, следствием проникновения частиц примеси сквозь объём завесы (что подтверждается характером изолиний при прохождении потоком хлора пористых перегородок). В верхней части рассеивающегося потока находится более плотная область, формирование которой обусловлено действием восходящих струй, отрывающих часть набегающего потока от поверхности почвы в результате захвата примеси.

Проведённые исследования показали, что повышение эффективности использования водяных завес при рассеивании потока, содержащего токсичную примесь, может быть достигнуто за счёт обеспечения лучшего контакта набегающего потока с восходящими струями. Увеличению времени контакта будет способствовать наклон струй, формирующих завесу, в сторону распространения потока примеси. Наклон струй по ветру на 20 - 30 не оказывает существенного влияния на высоту завесы, вместе с тем, обеспечит значительно лучшее воздействие завесы на распространяющийся поток. На рис. 7 представлена фотография, иллюстрирующая такой вывод. Наклонная завеса, активно вовлекая в восходящее движение набегающий поток, способна эффективно рассеивать даже достаточно плотный поток примеси.

Выводы. Проведённые исследования позволили сделать ряд выводов, важнейшими из которых являются:

влияние водяных завес на распространение заражённого воздуха в приземном слое определяется эффектами одновременного захвата и рассеивания примеси;

влияние восходящих струй на поток примеси значительно превосходит влияние оседающих водяных капель;

восходящие водяные струи, увеличивая величину вертикальной дисперсии, одновременно способствуют отрыву потока примеси от поверхности земли;

наиболее эффективное влияние водяных завес на набегающий поток будет происходить при соответствии толщины слоя примеси и высоты завесы;

рассеивание примеси увеличивается при получении её потоком кинетической энергии завес;

рассеиванию примеси будет способствовать увеличение времени контакта потока, содержащего примесь, с восходящими водяными струями;

для обеспечения увеличения времени контакта набегающего потока с водяными струями необходимо осуществлять наклон струй в сторону распространения потока.

Литература

1. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. М.: Наука, 1965. Ч. 1.

2. Замай С.С., Якубайлик О.Э. Модели оценки и прогноза загрязнения атмосферы промышленными выбросами в информационно-аналитической системе природоохранных служб крупного города. Красноярск: Изд. Краснояр. гос. ун-та, 1998.

3. Бабуха Г.Л., Шрайбер A.A. Взаимодействие частиц полидисперсного материала в двухфазных потоках. Киев: Наукова думка, 1972.

4. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергоиздат, 1981.

5. Стернин Л.Е., Шрайбер A.A. Многофазные течения газа с частицами. М.: Машиностроение, 1994.

6. Kawamura P. I., Mackay D. The evaporation of volatile liquids // J. Hazardous Materials 15, 1987. Р. 343

- 364.

7. Mackay D., Matsugu R. S. Evaporation rates of liquid hydrocarbon spills on land and water // Can. J. Chem. Eng. 51, 1973. Р. 434 - 439.

8. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. М.: Мир, 1990. Т. 1.

9. Тищенко Н.Ф. Охрана атмосферного воздуха. Расчёт содержания вредных веществ и их распределение в воздухе. Справ. изд. М.: Химия, 1991.

10. Котов Г.В., Голуб О.В. Натурные испытания по определению эффективности влияния водяных завес на распространение хлора в приземном слое воздуха // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. № 1(29)-2011. С. 23 - 31.

11. Котов Г.В., Булва А.Д. Формирование паровоздушного облака при проливе низкокипящих жидкостей // Пожаровзрывобезопасность, 2011. Т. 20. № 6. С. 28 - 32.

Рис. 6. Рассеивание примеси водяной завесой

Рис. 7. Рассеивание примеси под влиянием наклонной водяной завесы