Системный анализ процесса формирования радиационного облака

ПРИГЛАШЕНИЕ В НАУКУ

УДК 197.08.01

Е.В. Береснева, А.В. Доброе, С.И. Шишкина СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ РАДИАЦИОННОГО ОБЛАКА

В статье проведён системный анализ процесса формирования радиационного облака над одним источником огня, расположенным на территории, загрязнённой радионуклидами. Построены структурно-функциональная и параметрическая модели формирования радиационного облака.

Ключевые слова: системный анализ, функциональная модель, параметрическая модель, радиационное облако.

E. Beresneva, A. Dobrov, S. Shishkina SYSTEM ANALYSIS OF PROCESS OF RADIATION CLOUD FORMING

The article presents the system analysis of radiation cloud forming over fireplace in areas contaminated radionuclides. Structural and functional and parameter-oriented models of radiation cloud forming are entered.

Keywords: system analysis, functional model, parametrical model, radiation cloud.

Существующие методики расчёта следа радиационного облака, возникшего после лесного пожара на территории, загрязнённой радионуклидами, дают результат, отличающийся в несколько раз от результата, полученного при замере следа после натурного эксперимента. Это связано с тем, что при построении модели формирования радиационного облака не учтён ряд факторов, существенно влияющих на его формирование.

Проведём системный анализ формирования радиоактивного облака в процессе пожара одного дерева (источника тепла).

При формировании радиационного облака определяющим фактором являются радионуклиды, находящиеся в восходящем потоке над источником огня. Восходящий поток представляет собой некоторую область пространства, которую будем рассматривать как систему. Объекты, находящиеся в этой области, будем рассматривать как элементы системы, а объекты, влияющие на поток, но не находящиеся в этой области, как элементы внешней среды.

Дальнейшую детализацию элементов системы проведём по принципу «выделения по функциям» [1]: так в элементе «источник» выполняется функция формирования потока радионуклидов, в элементе «восходящий поток» - функция конвективного переноса радионуклидов, а в элементе «облако» - функция расползания потока под действием диффузии и турбулентности.

В элементе структуры «источник» выполняется не только функция формирования потока радионуклидов за счёт освобождения радионуклидов из сгоревшей древесины и подтягивания их с «подстилающей поверхности», но и функция формирования потоков горячего воздуха и аэрозоля. А в элементах «восходящий поток» и «облако» выполняется функция прилипания радионуклидов к аэрозолю и несгоревшим фрагментам древесины.

Введём параметры, которые будут характеризовать потоки (как правило, интенсивность), так и сами элементы структуры. Параметры, которые определяются в системе, называются эндогенными, а параметры, определяемые внешней средой, - экзогенными (экзогенные параметры влияют на эндогенные, но не зависят от них).

Запишем однопараметрические функции, описывающие влияние параметров друг на друга. Перед функцией поставим знак влияния «+», если увеличение значения параметра ведёт к увеличению значения зависящего параметра, «-» - если увеличение значения одного параметра ведёт к

Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2012'3

уменьшению значения зависящего параметра, «+/0» - если влияние параметра со временем прекращается, «+/-» - если знак влияния параметра зависит от значений других параметров.

Определим параметры внешней среды (экзогенные параметры) - это характеристики древесины, такие как тип и плотность, влияющие на параметры источника, влияющие на геометрические параметры системы (высота подъёма, длина «восходящего потока» и его диаметр, ширина «облака», а также влияющие на потерю энергии в «восходящем потоке» и «облаке» из-за теплообмена с окружающей средой) - это температура источника, масса и объём древесины, сгорающей за единицу времени, температура окружающей среды, теплоёмкость воздуха, скорость ветра. Функциональная модель формирования радиационного облака состоит: из трёх структурных элементов - «источник», «восходящий поток», «облако»; из входных параметров окружающей среды - характеристики древесины, температура окружающей среды, теплоёмкость воздуха, скорость ветра;

из параметров системы - интенсивность теплообмена с окружающей средой; из параметров потоков - интенсивность потока свободных радионуклидов, интенсивность радионуклидов, прилипших к частицам аэрозоля, интенсивность потока аэрозоля и интенсивность потоков различных видов энергии.

Параметрическая модель построена на основании анализа функциональной модели и представляет собой схему зависимости параметров друг от друга (в которой полностью избавляемся от элементов структуры).

При построении модели будем руководствоваться двумя правилами: каждому параметру в функциональной модели соответствует параметр в параметрической, и каждой функции в функциональной модели соответствует одна и только одна стрелка в параметрической.

Получившаяся параметрическая модель весьма громоздка, поэтому представим только её фрагмент: на рис. 1 приведён фрагмент параметрической модели, описывающий формирование потоков аэрозоля и радионуклидов как «свободных», так и прилипших к аэрозолю.

Рис. 1. Фрагмент параметрической модели Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2012'3

Процесс формирования потока «свободного» аэрозоля описывается «цепочкой» взаимодействия параметров: «температура источника», «масса древесины, сгорающей за единицу времени», «концентрация аэрозоля, поступающего в восходящий поток», «концентрация аэрозоля в восходящем потоке», «концентрация радионуклидов, прилипших к аэрозолю, в восходящем потоке». Между параметрами поставлены знаки влияния «+», если увеличение значения одного параметра ведёт к увеличению значения зависимого параметра («масса древесины, сгорающей за единицу времени», «концентрация аэрозоля, поступающего в восходящий поток»), между параметрами «температура источника» и «масса древесины, сгорающей за единицу времени» поставлен знак «+/0», так как со временем пожар прекращается и прекращается процесс образования аэрозоля. Между параметрами «концентрация аэрозоля в восходящем потоке» и «концентрация радионуклидов, прилипших к аэрозолю в восходящем потоке» установлена обратная отрицательная связь, так как, чем больше радионуклидов «прилипло» к аэрозолю, тем меньше стала концентрация «свободного» аэрозоля в восходящем потоке.

Из проведённого анализа процесса формирования радиационного облака следует:

1. Входные параметры формирования радиационного облака не определены. Так сложно определить параметр «теплоёмкость воздуха», зависящий от времени года, влажности и температуры воздуха и так далее, невозможно получить точные характеристики древесины.

2. Получившиеся функциональные зависимости очень сложны. Так параметр «температура восходящего потока» зависит от девяти различных параметров. Поэтому параметрическую модель необходимо упростить: рассмотреть замкнутые контуры и определить, какими связями и при каких условиях ими можно пренебречь. Пример: контур обратной связи «высота восходящего потока - длина теплового восходящего потока - площадь боковой поверхности теплового восходящего потока».

3. На структуру радиационного облака большое влияние оказывают турбулентные потоки.

Проведённый системный анализ процесса формирования радиационного облака даёт возможность выбрать адекватную математическую модель.

Из-за сложности построения аналитической модели лесного пожара, в которой будет учтено влияние источников огня друг на друга, взаимное влияние восходящих потоков и радиоактивных облаков над точечными источниками огня, наиболее точное описание процесса формирования радиационного облака может дать имитационная модель лесного пожара, основанная на агрегатив-ном описании пожара и процессном способе организации квазипараллельного режима [2, 3].

Агрегативная схема формирования облака представлена на рис. 2.

Рис. 2. Агрегативная схема формирования облака над одним источником огня

Литература

1. Жилин Д.М. Теория систем: опыт построения курса. Изд-2. - М.: Едиториал УРСС, 2004, с. 184.

2. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ. - М.: Радио и связь, 1988, с. 232.

3. Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. - М.: Наука, 1977,

с. 240.

Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2012'3