Оценка параметров фактической зоны заражения средствами вычислительного эксперимента

Оценка параметров фактической зоны заражения

средствами вычислительного эксперимента

Котов Г. В.,

Командно-инженерный институт МЧС республики Беларусь, г. Минск

Сидорович Т. В., Голуб О. В.,

НИИ ПБ и ПЧС МЧС Республики Беларусь, г. Минск

При возникновении чрезвычайных ситуаций, связанных с проливом опасных химических веществ, задача прогнозирования глубины фактической зоны заражения и концентрационных полей примеси осложняется необходимостью учета ряда специфических особенностей. Связано это, прежде всего, с проявлением индивидуальных особенностей веществ, сложным характером переноса воздушных масс в относительно небольших областях вблизи земной поверхности, различиями физических механизмов на отдельных этапах процесса аварии [1]. Пролив жидкости с температурой кипения ниже температуры окружающей среды является источником примеси сложного типа. Так ведет себя хлор, рассматриваемый, как правило, в различных приближениях как «тяжелый газ».

При моделировании процессов распространения примесей предпочтение отдается совместному численному решению (в 2-х и 3-х 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.

Постановка задачи. Для решения поставленных задач использована модель смешения, реализованная в пакете Fluent [2]. Это дает возможность оценки влияния турбулентности воздушного потока и наличия препятствий на пути его распространения на характер распределения примеси, такой как хлор, испаряющийся с поверхности пролива.

Постановка вычислительного эксперимента учитывает условия проведенных натурных испытаний: мощность источника выброса; температуру воздуха и почвы; скорость ветра; характер поверхности, над которой происходит распространение потока [3]. Математическая модель включает следующую систему уравнений: уравнение неразрывности, уравнения Рейнольдса для средней скорости турбулентного движения смеси, уравнение энергии для смеси, уравнения движения для объемной концентрации вторичных фаз и алгебраические соотношения для относительных скоростей вторичных фаз по отношению к скорости несущей фазы (воздуха).

Для расчета пульсационных составляющих смеси использована k-s модель турбулентности. В данном случае адача решалась в двухмерной системе, где z -размеры по вертикали, х - размеры по горизонтали (в направлении движения воздушного потока).

Граничные условия. На верхней грани расчетной области задавались условия симметрии. На входной грани - переменная по высоте скорость ветра. Эмпирический закон [4] изменения скорости ветра с высотой:

*

и* z — z + z0 u( z) =--Ь ln---

к zo

где z0 — z - параметр шероховатости; u - скорость ветра.

Скорость на верхней границе задавалась таким образом, чтобы обеспечить скорость ветра на высоте 2 м равной 1,1-1,43 м/с, что обеспечивало соответствие условиям натурных испытаний [3]. 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

г т JT T = To +~Т z

dz

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

В ходе численного решения задачи переноса примеси в атмосфере от з а-грязняющего источника рассматривались случаи свободного распространения хлоровоздушного облака, возникающего на поверхности жидкого пролива, и в условиях наличия на пути его движения механических преград. В качестве модельного объекта, являющегося источником поступления примеси в атмосферу, в соответствии с условиями [3], выбран пролив жидкого хлора со значением массового расхода хлора с поверхности 0,006 кг/с. Температура воздуха принималась Т = 283 К, скорость ветра на высоте 2 м - 1,4 м/с. Пролив жидкого хлора располагается на расстоянии 1 0 м от левой входной грани области моделирования по направлению ветра. В качестве механических препятствий на пути распространения потока использовались вертикальные перегородки высотой 3 м, установленные на расстоянии 17 м от входной грани расчетной области.

Свободное распространение хлора. Использование пакета Fluent [2], позволило рассчитать концентрацию тяжелой примеси на различных высотах и расстояниях от источника выброса. На рис. 1 представлены результаты расчета объемной доли хлора.

Для расчетных значений характерно проявление «выполаживания» на расстоянии, значительно превышающем линейные размеры источника (более 100 м). В условиях фактической зоны заражения, вблизи ее границы, наблюдалось достаточно интенсивное падение концентрации хлора. Не смотря на это, имеет место качественное соответствие характера распределения примеси по высоте определенного расчетом и в условиях натурных испытаний.

Распространение хлора в условиях наличия препятствий. На первом этапе, в качестве препятствия распространяющемуся облаку зараженного воздуха, рассматривалась пористая твердая перегородка.

На рис. 2 представлены изолинии объемной концентрации (доли) хлора при свободном распространении примеси (рис. 2а) и при наличии препятствия на пути ее распространения в виде пористой перегородки (высотой 3 характерных размера пролива) (рис. 2б).

После прохождения потоком пористого препятствия наблюдается значительное увеличение высоты слоя, в котором распространяется примесь. Т. е. происходит не просто затрудненное проникновение потока сквозь препятствие, а имеет место его рассеивание. Следствием такого рассеивания становится выравнивание концентрации хлора по высоте, о чем свидетельствует значительный подъем изолиний (рис. 2б).

фсЬ

1Е-4

1Е-6 1Е-8 1Е-10 1Е-12 1Е-14 1Е-16 1Е-18

г, м 0,16

0,12

0,08

0,04

0,00

1

2

-3

-—

Рис. 1. Концентрация хлора на различной высоте по мере удаления от источника выброса: 1 — г=0,5 м; 2 — г=1 м; 3 — г=1,5 м

20 40 60 80 100 120 х, м

1

и 3

1 22

ь .—^

1 11

г

20

40 00

а)

г, м 0,12

0,08

0,04

0,00

22

11

800

100 х, м

2200

4400 6600 б)

8800

Рис. 2. Изолинии концентрации хлора над поверхностью почвы:

100 х, м

п

а) при свободном распространении примеси: 1 - фен = 0,1; 2 - фен = 0,01; 3 - фен = 10- ; б) при наличии пористого препятствия: 1 - фен = 0,01; 2 - фен = 10-4

Влияние динамических свойств преграды оценено с использованием результатов расчета концентрации хлора в потоке, на пути распространения которого находится перегородка с вертикальным направлением движения поверхности.

На рис. 3 показаны результаты расчета изолиний хлора при наличии перегородок с различной скоростью движения поверхности. Скорость движения поверхности перегородки для случая, отраженного на рис. 3б, в 3 раза выше, чем скорость движения поверхности перегородки, изолинии для которой представлены на рис. 3а.

Подъем потока способствует интенсивному выбросу хлора на большую высоту, где он рассеивается под действием турбулентных вихрей. При росте скорости движения поверхности перегородки наблюдается значительное уве-

0

0

0

личение высоты подъема примеси, о чем свидетельствует относительное расположение изолиний.

Наиболее интенсивным влиянием на перераспределение примеси характеризуются преграда, обладающая свойствами водяной струи. На рис. 4 представлены результаты расчета изолиний в условиях, когда на пути движения потока тяжелой примеси, распространяющейся с поверхности модельного пролива, находится водная преграда высотой 3 м.

а) б)

Рис. 3. Изолинии концентрации хлора при наличии движущейся перегородки над поверхностью почвы при скорости ветра: а) и2; б) 3ю2; 1 - фсь = 10-4; 2 - фсь = 10"6; 3 - фсь = 10"7

Рис. 4. Изолинии концентрации хлора при наличии водной преграды: 1 - феи = 10"5; 2 - феи = 10"6; 3 - фси = 10"7

Подъем частиц примеси набегающего потока под действием водной преграды достигает 4-6 характерных размеров преграды, что значительно превосходит влияние перегородок с движущейся поверхностью.

Библиографический список

1. 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.

2. Руководство пользователя Fluent 6.1. User's Guide // Fluent Inc/-2003/ — Vol. 1-3.

3. 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.

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