Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу. Справочное пособие Романов Вадим

3.6. Особенности атмосферного движения и распада выбросов

Наиболее типичными аварийными выбросами в атмосферу являются струйные и выбросы в виде компактных объемов — клубов. Струйные выбросы имеют протяженный характер; они доставляют загрязняющие примеси, возникающие в месте инцидента, непосредственно в зону разрушения потока и далее диффундируют в атмосфере из вторичного площадного источника.

Струи существуют при постоянной работе генерирующей установки, поэтому возникающие при их работе высотные площадные источники загрязнений являются стационарными.

В условиях штиля струи от пожара способны подняться на большие высоты и, не теряя динамической индивидуальности, преодолеть пограничный слой атмосферы. Разрушение мощного струйного потока и образование вторичного источника в этом случае могут начаться на высотах в несколько километров. Загрязнение воздуха в приземном слое при этом будет минимальным.

Выбросы в виде клубов или компактных облаков возникают при «мгновенном» или кратковременном действии генерирующего их источника. На открытом пространстве они участвуют в двух движениях: тепловом подъеме под действием сил плавучести и переносном движении под действием ветра в горизонтальной плоскости.

Интенсивное вовлечение воздуха в движущийся клуб приводит к резкому увеличению его размеров, росту силы аэродинамического сопротивления движению в потоке и замедлению скорости всплывания. На завершающем этапе своего существования движение клуба становится уже неразличимым на фоне внешнего пульсационного движения среды. Он разрывается и растаскивается атмосферными вихрями — таким образом начинается процесс рассеивания вещества выброса. Загрязняющая примесь под действием атмосферной дисперсии распространяется вдоль ветра и в поперечном ему направлении в соответствии с физическими характеристиками диффузии.

Квазиструйные выбросы (их еще называют [11] плавучими струями) являются геометрическими гибридами струй и клубов. Они возникают, когда струя еще не сформирована, а возникший в атмосфере объем уже не может считаться клубом из-за неоднородности макроскопических характеристик вещества в нем. Расчет физических характеристик таких образований и их движения в атмосфере представляет большие трудности и, как правило, обходится разработчиками и авторами книг рассмотрением предельных оценок.

Отметим, что независимо от типа выброса и его формы загрязняющий объем проходит две фазы развития. На первой фазе движения горячего выброса определяется сносящим ветровым потоком и собственной турбулентностью. Вовлечение в выброс происходит через подветренную его поверхность и пропорционально  и относительной скорости траекторного движения.

Во второй фазе внутреннее турбулентное движение ослабевает, а доминирующим становится деструктивное воздействие вихрей атмосферы. Эти вихревые структуры определяют повышенный уровень вовлечения окружающего воздуха и увеличение размеров загрязняющего объема.

По специфике воздействия атмосферы на выбросы различают [132] три характерных случая: устойчивый, нейтральный и неустойчивый.

В случае устойчивой атмосферы поднимающийся выброс в зависимости от высотного градиента температуры окружающей среды может приближаться к равновесной высоте по траекториям 3-х типов (см. Рис. 3.8). При слабом градиенте _е плотность выброса монотонно приближает к _е, не достигает этой величины.

Рис. 3.8. Теоретически возможные траектории выбросов при разных состояниях атмосферы: устойчивом — 1; нейтральном — 2; неустойчивом — 3; асимптотическая высота подъема — 4

При более резком уменьшении Т_е с высотой выброс становится тяжелее окружающего воздуха, проскакивает по инерции уровень р = р_е и возвращается на равновесный уровень по колебательной или монотонной траекториям (верхние траектории 1 на рисунке).

Атмосферная турбулентность устойчивой атмосферы очень слабая и на подъем выброса оказывает минимальное воздействие.

При нейтральной атмосфере относительная плотность вещества выброса остается постоянной на всей его траектории. Вследствие интенсивной турбулентности атмосферы возрастает вовлечение в него окружающего воздуха. Увеличивается его размер и масса, однако наличие перегрева приводит к его постоянному всплытию (кривая 2 на Рис. 3.8).

В случае неустойчивой атмосферы относительная плотность вещества выброса резко уменьшается с высотой, а высокий уровень турбулентных пульсаций окружающего воздуха резко усиливает процесс вовлечения. Высокое значение температурного градиента _а приводит к теоретически неограниченному подъему выброса (кривая 3 на Рис. 3.8).

Поведение газообразных выбросов в атмосфере зависит от относительной плотности (температуры) их вещества — тяжелее или легче газ окружающего воздуха. При относительно легком газе ( < _е) выброс под действием силы тяжести устремляется вверх; при > _е— опускается к поверхности земли. Так ведут себя тяжелые углеводородные газообразные топлива и многие токсичные газы (соединения хлора, фтора и других веществ).

Если источник поступления тяжелых газов расположен на поверхности земли, то они стелются и растекаются вдоль подстилающей поверхности в низкие места, следуя рельефу местности. При высотном источнике газы опускаются к земле и их распространение происходит под действием диффузии и ветра в сравнительно тонком приземном слое. Поведение струи тяжелого газа из приподнятого источника иллюстрируется Рис. 3.9. Другой особенностью атмосферного движения выбросов является их поведение в изменяющемся с высотой ветровом потоке.

Известно, что изменение ветра с высотой может оказать существенное влияние на характеристики полей загрязнений от объемного высотного источника, возникшего при взрыве или пожаре и последующем подъеме пылегазовой смеси. Не учет ветрового разворота завышает концентрации токсикантов в воздухе и на поверхности земли и приводит к более жесткому прогнозу последствий аварий, что может оказать влияние не только на тактические, но и на стратегические решения по ликвидации инцидента, которые не будут адекватны действительности.

Рассмотрим механизм изменения ветра с высотой и интерполяционные формулы, позволяющие учесть данный эффект. Под влиянием трения, возникающего между движущимся воздухом и подстилающей поверхностью (сушей или водой) упорядоченное движение потока у поверхности должно прекращаться, то есть скорость на поверхности обращается в нуль. В соответствии с этим с увеличением высоты скорость ветра должна возрастать. Изменяется при этом также и направление ветра, однако не так упорядоченно и не всегда столь равномерно, как скорость и интенсивность турбулентного перемешивания. Эти изменения с высотой всех характеристик ветра, а особенно его скорости и интенсивности турбулентного перемешивания, часто имеют важное значение при рассмотрении технических вопросов и составлении прогнозов развития физической картины продуктов аварии в атмосфере.

Рис. 3.9. Схема движений струйного выброса для легкого (а) и тяжелого (б) газов в случае устойчивой стратификации атмосферы: 1 — устройство поступления загрязнений в атмосеру; 2 — струйный поток; 3 — рассеиваемая примесь; 4а и 46 — приращения динамических высот подъема; 5а и 56 — высоты выбросов на завершающих участках траекторий; 6а и 66 — мнимые источники; 7 — ветер.

Изменения ветра с высотой, как и вертикальные изменения всех других метеорологических параметров, подвержены временным колебаниям из-за погодных условий. Кроме того, они различны в разных географических пунктах из-за различий характера земной поверхности. Направление ветра в пограничном слое атмосферы, примыкающем к поверхности земли, из-за действия силы Кориолиса в среднем постепенно поворачивает вправо. Эффект, обусловленный этой силой, состоит в том, что во вращающейся системе координт, которую представляет Земля, материальная точка или некоторый элементарный объем, состоящий из материальных точек, движущихся не параллельно оси этого вращения, отклоняются в направлении, перпендикулярному их относительной скорости, или оказывают давление на тело, препятствующее такому отклонению.

Средняя скорость ветра плавно изменяется с высотой и может быть описана степенной зависимостью вида [138]:

V_z = V₀(z / z₀) ^р,

где

V _z — скорость ветра на высоте z;

V ₀ — скорость ветра на высоте z₀

причем z < z₀; р — параметр турбулентности, причем 0 р 1.

Параметр турбулентности р в этой формуле учитывает пульсационное состояние атмосферы во времени и пространстве при выборе его значений в соответствии с характеристиками подстилающей поверхности. Значение р = 0 соответствует максимально развитому турбулентному перемешиванию, когда весь поток однороден и не зависит от пространственной координаты, а р = 1 соответствует ламинарному течению, линейно ускоряющемуся с ростом z.

Для условий Центральной Европы можно использовать закон изменения ветра с высотой, предложенный Гельманом [138]

V _z = V ₀ (z / z₀) ^1/4, при z 15 м;

V _z = V ₀ (z / z₀) ^1/5, при z > 15 м.

Если имеются данные измерений высотного изменения ветра, то его можно представить в полиномиальном виде:

V_Z = Y_Z0 + A z + B z² + C z³ + D z⁴+…,

причем интерполяционные коэффициенты А, В, С, D — должны быть заданы.

Изменение скорости ветра в пространственно-неоднородном потоке можно описать следующей формулой:

Отрицательные значения угла при росте высотной координаты свидетельствует о том, что поворот потока происходит вправо (то есть против часовой стрелки). Поворот вектора скорости V_z  происходит от высоты z_f, на которой он равен V_f и направлен вдоль оси X.

Рассмотрим конкретный пример вычисления по записанной выше формуле направления и скорости ветра на высоте z =1000 м. Вычисляем изменения угла ветрового потока

(z =1000 м) = 0.41 рад = 0,41х 57,3 град. = 23,5 град.

Увеличение абсолютного значения скорости ветра вдоль оси X при этом составляет

n = V_z /V_f = (1000/2)⁰’² cos 23,5 ⁰ = 2,82 х 0,916= 2,58.

Следует иметь ввиду, что увеличение скорости ветра с высотой по приведенным выше формулам описывается лишь в среднем и только для осреднен-ных скоростей. В отдельных случаях могут реализовываться такие метеорологические ситуации, при которых наблюдается как постоянство скорости по высоте, так и ее высотное уменьшение. То же самое относится к мгновенным пульсирующим значениям скорости V_z. В целом результаты наблюдений показывают [138], что для интервалов осреднения продолжительностью более 10 минут уменьшение скорости ветра с высотой встречается очень редко, для интервалов в 1 минуту и меньше оно отмечается уже более часто. Поэтому для значений V_z, осредненных за короткие временные интервалы, увеличение скорости с высотой происходит медленнее, чем за более длительные интервалы.

На вихревые структуры распадающейся струи изменяющийся с высотой ветровой поток оказывает вращательное воздействия относительно продольного направления струйного потока (Рис. 3.10.).

Этот физический эффект может быть объяснен возникновением подъемной силы, действующей на вихревые структуры (силы Жуковского Н.Е.):

Y = _е V_e Г, где

Р_е, V_e — плотность и скорость потока;

Г — циркуляция скорости.

Выражение для циркуляции отдельных вихрей распадающегося потока записывается так [92]:

где

г — радиус вихря, связанный с толщиной слоя смешения D выражением г = к D;

А, к — константы.

Сила Y действует поперек направления потока, поэтому на каждом последовательном высотном уровне поднимающейся струи вследствие высотного разворота ветра она разворачивает вихревую пару относительно оси потока 1 (см. Рис. 3.10.). При этом поперечная ось вихревой пары поворачивается относительно этого направления, что приводит к «двугорбому» распределению загрязнений по оси z — распределений примесей с двумя максимумами концентраций в горизонтальной плоскости сменяется аналогичным распределением в плоскости близкой к вертикальной.

Рис. 3.10. Схема разрушения струйного движения при пожаре для неустойчивого состояния атмосферы при однородном (а) и переменном по высоте (б) ветре: 0 — место инцидента; 1 — струя; 2 — вертикальные сечения струйного потока (в пл. YZ); 3 — область разрушения струи; За — вихри в горизонтальной плоскости и 36 — в плоскости ветрового разворота; 5 — ветер.

Вихревые структуры движутся относительно основного струйного потока со скоростью

U = Г / 4 ; Y₀,

где Y₀ — половина расстояния между вихрями.

Согласно теории Кельвина, изложенной в книге Ламба [160], пара противоположно вращающихся вихрей движется с такой скоростью поступательно вместе с некоторой охватывающей их массой жидкой или газообразной среды.

Оценки, проведенные в работе [92], показывают, что отклонение собственной скорость вихрей от скорости потока не превышает нескольких процентов, и ее влиянием на процессы рассеивания загрязняющих примесей можно пренебречь.

3.7. Измерения геометрических и динамических характеристик выбросов

Исследование физических процессов при авариях и их последствий в различных средах, как и во многих других областях науки и практики, приводит к необходимости построения моделей различных процессов и явлений, отражающих реальность. Эти задачи настолько сложны, что для успешного их решения надо умело сочетать теоретические представления в данной области знаний с использованием экспериментальных или статистических данных, относящихся к конкретному явлению.

В области протекания процессов горения детонации и взрыва в настоящее время глубоко разработаны теоретические основы этих явлений [60, 61, 77, 80, 82, 103], заранее известна структура модели и основные зависимости. Экспериментальные данные могут служить здесь лишь для определения отдельных уточняющих параметров модели.

Совершенно иная картина в области изучения формирования и развития кратковременных выбросов в реальной атмосфере. В этой области теоретические знания далеки от точных количественных представлений, а немногочисленные эксперименты [13, 33, 48–52, 133], проведенные в узких диапазонах изменений определяющих параметров, как правило, не дают общей картины явления. Следует отметить, что и в тех областях, где сравнительно хорошо разработана количественная теория (например, подъем термина в стратифицированной атмосфере), исследователь часто сталкивается с задачами, в которых по экспериментальным или статистическим данным требуется не просто определить отдельные параметры модели, но и в существенной мере восстановить общую картину явления, которая заранее может быть ясна лишь в очень грубом приближении или совсем неясна.

К таким задачам относятся, в нашем случае, задачи интерпретации геометрических измерений, когда по данным дальномерных съемок взрывных выбросов требуется определить картину формирования первичного газопылевого выброса, а также построить модель разлета твердой фазы взрыва из источника и подъема перегретого газовоздушного объема, насыщенного твердой фазой различного состава и дисперсности.

Сложная задача построения модели явления в целом, как правило, может быть разложена на этапы и фазы, на каждой из которых с успехом могут быть использованы формализованные методы обработки данных. Такими задачами являются задачи восстановления зависимостей. При решении задачи восстановления неизвестной зависимости по эмпирическим данным первым желанием бывает [84] искать ависимость как можно более общего вида, привлекая как можно большее число аргументов. Однако такой путь неизбежно сталкивается с ограниченностью экспериментального или статистического материала, которым располагает исследователь и ограниченностью вычислительных возможностей. Это противоречие разрешается при использовании структурной минимизации задачи. Она состоит в поиске вначале предельно грубой модели, а затем эта модель постепенно усложняется до достижения оптимального соотношения между точностью аппроксимации эмпирического материала и надежностью результата в условиях ограниченного объема данных.

Важным этапом построения математических моделей физического явления является его верификация, использующая данные экспериментов.

Измерения выбросов загрязняющих веществ в реальной атмосфере, кроме организационных и финансовых затрат, имеет ряд трудностей, связанных с методическими вопросами. Сравнение результатов измерений геометрических характеристик формирующихся в атмосфере объемов, полученных разными методами, является не всегда корректным и может привести к большим различиям.

В первую очередь это связано с тем, что при проведении натурных опытов с использованием измерительных устройств теодолитного типа определяются горизонтальные и вертикальные углы при наведении на граничные контуры выбросов. При этом могут возникнуть большие погрешности, связанные с частичным затенением одних частей объема другими.

Рисунок 3.11 иллюстрирует и частично объясняет противоречивость и нестыковку многих литературных данных о размерах формирующихся в атмосфере выбросов от эквивалентных источников. Кроме неизвестных различий в турбулентной активности воздуха при различных замерах геометрии выбросов существенное значение имеет и фактор места регистрации объекта. Он проявляется в форме зависимости полученных результатов от удаления измерительной аппаратуры от объекта и от его абсолютных размеров.

Из Рис. 3.11 видно, что, например, высотные размеры выбросов измеряемые в точках А и В, дают существенно разные результаты Z_A =Н_А2 — Н_А1 и Z_B— Н_В2 — Н_т, причем Z_А  Z_в Z,

где Z_А и Z_в — высоты выбросов при замерах в соответствующих точках; Z — истинный высотный его размер.

Такая же ситуация возникает при измерениях горизонтального размера выброса X.

Наряду с теодолитными замерами в некоторых натурных экспериментах проводятся самолетные и вертолетные зондировки, фотографирования дымовых выбросов и стереофотограмметрическая съемка [157].

Отметим, что измерения, производимые с летательных аппаратов, также не лишены недостатков. Самые существенные из них — влияние воздушных потоков на выброс и временной сдвиг в процессе измерения.

Рис. 3.11. Схема зависимостей визуальных размеров выброса от места измерений на поверхности земли: 1 — выброс; А, В — точки размещения измерительной аппаратуры; X, Z — истинные продольный и высотный размеры выброса.

Стереофотограмметрия весьма трудоемка и дорога, а ее результаты часто не оправдывают возложенных надежд.

Основными натурными измерениями характеристик атмосферных выбросов, имеющими научный интерес в части изучения их динамики, являются фото— и киносъемки, а также регистрации геометрических размеров выбросов с помощью дальномера или высотомера. Такие измерения обычно проводятся с одновременным измерением метеорологических характеристик приземного слоя атмосферного воздуха, и после статистической обработки они могут иметь представительный характер.

Под измерением понимается [155] сравнение измеряемой величины с другой величиной, принятой за единицу измерения. При кинофоторегистрации выбросов и их измерении дальномером или высотомером определяемыми характеристиками выбросов являются угловые значения и удаления верхней и нижней, а также боковых границ наблюдаемого объема. Эти характеристики могут быть сравнены с единицей измерения длины и угла при помощи измерительных приборов, проградуированных в соответствующих единицах. Такие измерения изучаемых объектов могут отсчитываться по шкале прибора. Они называются прямыми.

При косвенных измерениях измеряемая величина вычисляется при использовании результатов прямых измерений других величин, которые связаны с измеряемой величиной определенной функциональной зависимостью. Примерами косвенных измерений при проведении работ по изучению атмосферных выбросов могут служить измерения высот верхней и нижней границ объема, его поперечного размера, координат центра масс в системе координат, связанной с точкой взрыва или пожара, используя линейные и угловые координаты соответствующих частей взрывного выброса. Динамические характеристики изучаемого объема определяются при использовании измерений длин пройденного пути и соответствующих промежутков времени.

Известно, что при измерении любой величины никогда не получают истинного значения этой величины — результат измерения дает лишь приближенное значение. Это объясняется как принципиально ограниченной возможностью точности измерения, так и природой самих измеряемых объектов.

Погрешности результата измерений определяются разностью измеряемой и истинной величин и зависят от многих причин. Погрешности (ошибки) разделяются на систематические и случайные. Систематические погрешности связаны с ограниченной точностью изготовления прибора (погрешностью прибора), неправильным выбором метода измерения, неправильной установкой прибора. Они также появляются, если пренебречь действием некоторых внешних факторов.

Таким фактором может быть неучет сноса ветром облака загрязняющих веществ при определении его координат в горизонтальной плоскости и пренебрежение высотным разворотом ветра при определении горизонтального размера облака. Неправильная установка начальных углов дальномера в горизонтальной и вертикальной плоскостях приводит к появлению систематических ошибок в измерениях линейных и угловых размеров выброса.

Таким образом, систематические погрешности вызываются вполне определенными причинами, их величина при всех повторных измерениях либо остается постоянной (как в случаях округления или смещения нуля шкалы прибора и т. п.), либо изменяется по определенному закону (в случае изменения ветра с высотой). Так как причины, вызывающие систематические погрешности, в большинстве случаев известны, то эти погрешности, в принципе, могут быть исключены изменением метода измерений, введением поправок к показаниям приборов, а также учетом систематического влияния внешних факторов.

Случайные погрешности вызываются большим числом случайных причин, действие которых на каждое измерение различно и не может быть заранее учтено. Сюда могут быть отнесено различие механических и термодинамических свойств взрываемых или сгорающих изделий, наличие флуктуации метеорологических параметров за время проведения серии экспериментов, различие состава и прочностных характеристик грунта в месте проведения работ.

Кроме того, ошибки случайного характера обуславливаются качеством и чувствительностью фотоматериалов и используемых кино— фотокамер. Появление случайных ошибок связано с техникой запечатления и увеличения изображения на фотопленке и фотобумаге. На точность определения пространственных координат точек облака загрязнений влияют ошибки измерения снимков и ошибки определения элементов внутреннего и внешнего ориентирования снимков [156]. В настоящее время ошибки в снятии плоских координат X, Z соизмеримы с разрешающей способностью фотоматериалов [157], поэтому дальнейшее повышение точности измерений снимков будет бесполезным, если не повысить разрешающую способность фотоматериалов и не снизить их деформацию.

Для того, чтобы правильно истолковать и использовать полученные в экспериментах результаты, необходимо знание достоверности проведенных расчетов, выявить ошибки, которые могут повлиять на точность вычислений, оценить погрешность полученного результата.

Источниками погрешностей и сшибок при вычислении могут быть недостаточн точное отображение реальных явлений их математической моделью (погрешности модели), приближенное знание величин, входящих в условие задачи (погрешности исходных данных), применение приближенных расчетных формул вместо точных (методические погрешности), особенности работы операционного устройства вычислительной машины (операционные погрешности). Дадим краткое описание этих погрешностей.

Известно, что совокупность факторов реального физического явления невозможно в полной мере отразить в его математической модели. Чем больше факторов учитывается, тем сложнее анализ явления и расчет по его математической модели. Поэтому целесообразно принять различные условия и допущения, упрощающие решение задачи, но не искажающие ее физическое содержание. Необходимо помнить, что сколь бы ни было точным математическое решение задачи, оно не может быть точнее тех приближенных предпосылок, на которых основано.

Основные предпосылки при решении задачи формирования и движения антропогенных выбросов в атмосфере являются следующие:

— выброс представляется в виде правильного геометрического тела. В случае взрывного выброса — это полусфера. В случае газообразного облака — это либо сфера, либо эллипсоид;

— твердая фаза выброса представляется в виде частиц сферической формы;

— вещество выброса считается равномерно распределенным по его объему, все его газодинамические характеристики осреднены по объему, а центр приложения массовых сил совпадает с геометрическим центром выброса.

При проведении экспериментов, обработке статистических данных и округлении результатов предыдущих расчетов приходится работать с приближенными числами. Присущие им погрешности обуславливают погрешности результата, причем для каждой операций по-своему. Анализируя точность задания исходных данных, можно сделать заключение о возможней точности результата вычислений.

Основными исходными данными задачи изучения атмосферных выбросов являются характеристика аварийного объекта и метео данные. Массовые характеристики горящих объектов или взрываемых изделий могут быть определены с точностью до 4^-5%; термодинамические и теплофизические характеристики продуктов горения или топлив — с точностью до 10 %. Точность линейных размеров + 0,1 м. Метеорологические параметры определяются со следующей погрешностью:

— плотность воздуха + 0,01 кг/мЗ;

— скорость ветра ± 1 м/с;

— направление ветра I град;

— градиенты скорости ветра и температуры атмосферного воздуха ± 0,01.

Методические погрешности при решении задачи возникают, при использовании приближенных формул вместо точных. Этот прием используется при замене функций их разложением в ряды (при интерполяции скорости ветра и температуры атмосферного воздуха в виде полиномов по Z), замене производной — разностью (при замене дифференциальных уравнений — конечноразностными), при заменах интегралов — суммами и т. д. Используя приближенные формулы, применяемые многократно вместо сложной точной формулы, удается в процессе последовательных приближений найти эффективное решение задачи. При этом всегда надо знать диапазон аргумента, для которого они применимы, и точность вычисления по ним. В общем случае при вычислениях на ЭВМ погрешность метода целесообразно выбирать такой, чтобы она была в несколько раз меньше погрешности исходных данных.

При наблюдении с поверхности земли геометрических характеристик, газообразных аварийных выбросов, а также скоростей их перемещения в пространстве как целого из-за погрешностей визуального определения границ их объемов могут быть допущены существенные ошибки в определении указанных величин. Подобные ошибки неизбежно появляются из-за кучевой неоднородной структуры поверхности газообразных выбросов, когда их отдельные выступающие части заслоняются другими [133, 158, 159].

Оценим ошибки в определении характеристик некоторых модельных выбросов.

Случай приземного полусферического выброса реализуется в первые мгновения после взрывной аварии. Исследователь, наблюдающий взрывной выброс радиуса R под углом а к горизонту (Рис. 3.12), фиксирует видимый его размер г = R · Cos .

Из геометрических построений этого рисунка легко получить для дефекта радиуса следующее выражение

R = R— г = R(1 — Cos )

На графике этого рисунка приводится зависимость относительной ошибки в определении радиуса выброса  от угла . Как следует из этого графика  резко увеличивается при увеличении угла наблюдения   18 20°. Приемлемые (менее 5 %) ошибки будут при < 20°.

Кратковременный выброс после отрыва от земли хорошо моделируется сферой. Он характеризуется радиусом R, геометрическими координатами центра масс X и (Z+R) (см. Рис. 3.13), а также углами  и . Эти углы определяются видимыми наблюдателю из точки М частями поверхности выброса — дугами К А и КД. Как следует из этого рисунка наблюдатель видит выброс уменьшенным в вертикальном направлении на величину (h_B +h_H), а в горизонтальном направлении на величину (Х_в + Х_н). Найдем эти характеристики из геометрических построений рисунка. Из рассмотрения прямоугольников МАО, АВО, СДО и ДОМ находим центральные углы АО В и СОД:

AОВ = 2 + ;

СОД = .

Из прямоугольных треугольников АОВ и СОД получаем связь геометрических параметров в виде:

Откуда для наблюдаемых дефектов вертикальных и горизонтальных размеров сферического выброса находим:

Таким образом, вертикальный и горизонтальный видимые размеры сферического приподнятого выброса описываются следующими соотношениями:

Найдем относительные ошибки в визуальном определении геометрических характеристик выброса [133].

Из соотношений (3.47) — (3.50) находим относительную ошибку в определении вертикального  и горизонтального  размеров сферического приподнятого выброса. Получаем:

Рис. 3.12. Зависимость относительной ошибки в определении радиуса первичного выброса от угла наблюдений.

Найдем теперь относительную (относительно геометрической высоты) ошибку в определении верхней границы облака. Из соотношения (3.47) получаем:

Из прямоугольных треугольников МОЕ находим

Подставив соотношение (3.58) в формулу (3.55), получаем окончательное выражение для относительной ошибки в определении верхней граница сферического приподнятого выброса:

Аналогично находится относительная ошибка в определении нижней границы выброса. Получаем:

На графике рис. 3.14 представлено изменение относительной ошибки в определении вертикального размера приподнятого сферического выброса в зависимости от угла  для различных полууглов наблюдения .

Как следует из этих графиков угол возвышения выброса над местностью  существенно влияет на величину . Еще большее влияние на ошибку в определении высоты выброса оказывает величина полуугла его наблюдения . Для  > 20⁰ h превышает 20 % для любых значений угла .

Рис. 3.13. Схема для расчета ненаблюдаемых с земли и реальных размеров сферического приподнятого выброса.

Оптимальное соотношение углов и , обеспечивающее возможность четкого наблюдения деталей выброса и не более чем десятипроцентную ошибку в определении его высотного размера является   15° и  10°. Для нахождения видимых геометрических параметров наземного сферического выброса следует в полученных нами выражениях перейти к пределу при   0. Получаем для дефектов вертикальных видимых размеров следующие выажения, (т. к. tg  = R / X):

Как следует из формулы (3.62) для наземного выброса его нижняя граница определяется точно.

Видимый вертикальный размер облака H^наземн_вид запишется так:

Рис. 3.14. Изменение относительной ошибки в определении вертикального размера приподнятого сферического выброса в зависимости от угла над местностью  для различных полууглов наблюдения выброса .

Рис. 3.15. Изменение относительной ошибки в определении вертикального размера выброса в зависимости от полуугола его наблюдения.

Относительную ошибку в определении вертикального размера облака находим из соотношения

Как видно из анализа соотношения (3.55) при   0 относительная ошибка в определении верхней границы облака H^наземн_в для наземного сферического выброса в точности равна относительной ошибке визуального определения вертикального размера облака, т. е.

Как следует из этого графика при  > 20⁰ ошибка в определении высоты выброса превосходит 10 % и резко возрастает с увеличением полуугла наблюдения . На практике для уменьшения ошибки в определении вертикального размера облака следует его наблюдение вести на относительно больших удалениях.

3.8. Высоты подъемов выбросов в атмосфере

Как было показано в главе 1, одним из основных параметров в рамках любой математической моде-|ли расчета концентраций загрязняющей примеси является высота вторичного атмосферного источника — фактически высота выброса в месте потери им динамической индивидуальности.

В большинстве современных разработок авторы пытаются использовать аналитические выражения для этого параметра, однако практика применения подобных формул имеет слишком малую область корректного использования в отношении как к тепловой мощности источника, так и к метеопараметрам.

Кроме того, часто путают динамический подъем выбросов с тепловым всплытием их разрушившихся объемов. Ошибочно считают, что тепловой подъем дает искомый результат, после чего наступает фаза атмосферной диффузии.

За границу струи, например, предлагается [136] принять изолинию однопроцентной относительной избыточной температуры.

Не всегда имеются и достаточно точные определения самого понятия подъема выброса. Например, применительно к струям факельного типа за такую высоту принимается [137,138] высоту струи, когда угол касательной к траектории ее наветренной части в сносящем ветре равен 100, в других работах за такую высоту предлагается считать подъем выброса на фиксированном расстоянии от трубы или его подъем за фиксированное время и т. д.

Некоторые авторы считают, что «потолок» выброса достигается, где он еще различим с помощью измерительной или фотографической аппаратуры.

Считается, что в случае когда радиоактивные или химические опасные вещества поступают в атмосферу посредством взрыва, можно пользоваться результатами работы Бриггса [139]. Однако результаты вычислений по приведенным там формулам также имеют весьма ограниченный диапазон применения. Поэтому рекомендуется, если это возможно, эффективную высоту источника загрязнений определять натуральными измерениями или оценкой.

Бриггс в зависимости от метеорологических условий предлагает проводить расчет подъема струи h по одной из нескольких модельных формул. Приведем их. Для устойчивого равновесия атмосферы предлагается выражение:

Значения параметра р, входящего в эту формулу, в зависимости от класса устойчивости атмосферы представлены в таблице 3.6.

Таблица № 3.6.

Скоростной параметр р в зависимости от устойчивости атмосферы и типа местности (по данным [162])

Для высот Z > 200 м следует брать постоянную скорость ветра на высоте 200 м.

Для условий слабых ветров подъема факела на завершающем этапе подъема предлагается находить по формуле:

h = 5,3 F^1/4 — S^3/8 — R₀,

где R₀ — радиус дымовой трубы.

Для условий, близких к нейтральным, при которых параметр S приближается к нулю, Бриггс предлагает следующую формулу расчета конечного подъема факела:

h = l,54(F/U _SU²_X)^2/3-h_s^1/3

где U_х — скорость трения; h_s — высота дымовой трубы.

В работе [22] предлагается формула, объединяющая начальный поток количества движения

М₀ = W²₀R²₀ и плавучий поток F:

h = 3,75M₀^1/2 /U(10 м)+ 5F/U(10 м)³

где U(10 м) — скорости ветра, измеренная на высоте флюгера.

Одной из первых формул, при составлении которой сделана попытка учесть вклад динамического и теплового подъема выброса, является формула Холланда (Holland) [116]:

где скорость примеси в выходном сечении W₀ в м/с; диаметр устройства выброса D₀ в метрах.

Эта формула получена в результате обработки наблюдений за шлейфами, выброшенными из трубы на высотах, не превышающих 50 м.

В ряде работ [137], полный подъем выброса в атмосфере предлагается разделить на динамический (газодинамический) h_r и тепловой h_m — за счет перегрева вещества выброса. Полный подъем загрязняющей примеси h при этом определяется сложением динамической и тепловой составляющих:

h = h_m + h_r

В частности, для модельных экспериментов для условий тепловых электростанций получены значения h_m и h_r в следующем виде [157]:

где Т_г — температура отходящих газов;

Т = Т_r—Т_е;

_y — интенсивность турбулентности в горизонтальной плоскости; S = 0,05 0,17

 — угол касательной к траектории движения факела; остальные обозначения те же, что и ранее.

Отмечается [137], что если данные по исследованию динамической составляющей подъема факела у разных авторов по характеру влияния на подъем параметров сносящего потока и движущейся в ней струи совпадает, то при изучении тепловой составляющей такое единообразие отсутствует. Оно проявляется в различиях в значениях показателей в формуле для h_r, которое приводит к большим отличиям в вычисленных значениях теплового всплытия.

Такое различие вычисляемых h_r объясняется

различными теоретическими предпосылками при определении этой характеристики, трудностями исследования теплового подъема на моделях в лабораторных условиях, отсутствием опытных данных по влиянию различных факторов на подъем выброса.

Что касается ограничений для применения аналитических формул, то они не пригодны в случаях сильно стратифицированной атмосферы или при сильном сдвиге ветра.

Рассмотрим теперь некоторые литературные данные по высотам подъемов кратковременных выбросов. По зарубежным литературным источникам, обобщенным в работе [151] для наземных, приземных и воздушных ядерных взрывов высота центра облака после стабилизации может быть найдена по формуле:

h_ц=1070 ·q⁰’²

где q — мощность ядерного заряда;

[q]=T; [h]=M

Модификация этой формулы относительно верхней h_e и нижней h_H границ взрывного облака дает следующие значения:

где a = (3 + 0,131gq)^-1; e = (2,6 +0,4lgq)^-1.

Независимая обработка данных по высотам 60 ядерных взрывов привела к появлению формулы, справедливой в диапазоне q от долей тонны до 10⁵т (с надежной статистикой лишь в диапазоне 1-100кт), определяющую высоту подъема h_ц в виде [151]:

h_ц =1600·q^0,21

Для наземных подрывов взрывчатки справедливо соотношение

h_ц = 284·q⁰’²² ·В^-1/3 -0,36u · В^-1, (3.68)

где u — среняя скорость ветра в слое 0·h_ц.

 — параметр, определяющий устойчивость атмосферы.

В случае изотермий, когда  и U = 5 м/с, а также устойчивых, но близких к нейтральным условиях формула (3.68) принимает вид [151]:

h_ц = 1400 q^0,22 — 52 (3.69)

Эта формула неприменима при , т. е. для неустойчивой стратификации атмосферы, при которой подъем выброса за счет сил плавучести теоретически ничем не ограничен.

При взрывах химических ВВ в серийных взрывах программы «Хардхет» в умеренноустойчивых условиях высота подъема облака оценивается в следующем виде [151]: h_ц  700 qⁿ, (3.70)