Динамика парогазокапельного облака с фазовыми превращениями

• Автор: Хамидуллин, Ильдар Раифович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Бирск
• Количество страниц: 119 с. : ил.

Глава 1 Исследование фазовых превращений
в атмосфере. Обзор литературы
§1.1 Движение многофазных смесей в атмосфере
1.1.1 Уравнения фазовых переходов в атмосфере
1.1.2 Природные туманы
1.1.3 Эксперименты по рассеянию примесей в атмосфере
§ 1.2 Теоретические модели распространения
многофазных выбросов в атмосфере
1.2.1 Гидростатические модели
1.2.2 Диффузионное приближение
1.2.3 Модели на основе уравнений движения
механики сплошной среды
§ 1.3 Методы моделирования турбулентного переноса
в атмосфере
1.3.1 к — Ь - модели
1.3.2 к -£- модели
1.3.3 Полуэмпирическая теория турбулентной диффузии
Глава 2 Распространение сухого пара
в приземном слое атмосферы
§2.1 Постановка задачи
2.1.1 Основные уравнения
2.1.2 Коэффициенты переноса

2.1.3 Начальные и граничные условия
§ 2.2 Численная схема решения системы уравнений
§ 2.3 Анализ результатов расчета
2.3.1 Распределение капель, температуры и скорости в облаке
2.3.2 Влияние влажности окружающего воздуха
на образование тумана
2.3.3 Влияние начального влагосодержания в облаке
на образование тумана
Выводы по главе
Глава 3 Диффузионное перемешивание
влажного пара с газом
§ 3.1 Постановка задачи
§ 3.2 Решение уравнений
§ 3.3 Анализ результатов расчета
Выводы по главе
Глава 4 Распространение влажного пара
в приземном слое атмосферы
§4.1 Постановка задачи
4.1.1 Основные уравнения
4.1.2 Начальные и граничные условия
§ 4.2 Численная схема решения системы уравнений
§ 4.3 Анализ результатов расчета
Выводы по главе
Основные результаты и выводы
Литература

Актуальность темы. Особый интерес исследователей к задачам распространения выбросов вызван сложной экологической ситуацией в регионах с развитой металлургической, химической и нефтеперерабатывающей индустрией. В производстве применяются соединения, хранящиеся под высоким давлением и при низкой температуре в жидкой фазе для уменьшения удельного объема. При техногенных катастрофах часто происходит залповый выброс этих веществ в атмосферу с образованием облака, содержащего как газовые примеси, так и взвеси микрочастиц. Перемешивание выбросов с окружающим воздухом сопровождается фазовыми переходами с выделением или поглощением тепла. Все это, в свою очередь кардинально может изменить свойства плавучести выбросов в атмосфере. В настоящее время существует ряд теоретических моделей, описывающих динамику облака примесей в больших масштабах расстояний и времени. Но в них не рассматривается начальный этап распространения выбросов, когда проявляются эффекты группового движения, обусловленные фазовыми переходами, определяющие плавучесть облака. В связи с этим актуально создание теоретических моделей распространения многофазных выбросов, сопровождающихся фазовыми переходами.
При анализе движения выбросов в атмосфере следует учесть характерные масштабы времен для процессов, сопровождающих это движение. Образование облака выбросов из заводских труб происходит за доли или несколько секунд (10_1-10° с). Распространение выбросов на местности связано с перемешиванием с окружающим воздухом и длится несколько десятков секунд (КР-Ю2 с). Этим этапом во многом определяется дальнейшее поведение сформировавшихся облаков, такие как способность их рассей-

круглую форму. Поэтому в дальнейшем для удобства расчетов на прямоугольной сетке примем начальную форму облака в виде куба.
Облако выбросов в начальный момент времени может находиться либо на земной поверхности, либо на некоторой высоте. На рис. 2.2 видно, что с увеличением высоты начального местоположения конденсация и испарение капель происходит быстрее, но динамика облака меняется слабо. Это обусловлено возрастанием значений коэффициентов переноса с высотой и объема перемешивания за счет нижней границы облака. В первом случае можно более подробно рассмотреть процессы происходящие при образовании и рассеянии конденсата. Поэтому мы принимаем, что облако мгновенного выброса находится на земной поверхности.
2.3.1. Распределение капель, температуры и скорости в облаке.
Видимая форма облака определяется распределением капель воды в облаке, т.е. массовой концентрацией капель По данной модели можно рассчитать трехмерную динамику формы облака (рис. 2.3, 2.4). На границе облака начинается турбулентное перемешивание горячего пара с холодным воздухом, затем происходит конденсация пара (рис. 2.4 а, б), приводящая к образованию слоя тумана. Далее область конденсации продвигается вглубь облака по мере его остывания (рис. 2.4 в, г). Когда температура пара уменьшается до значений, близких к температуре окружающего воздуха, начинается испарение воды и облако тумана постепенно исчезает.
Условная граница облака движется со скоростью, отличной от скорости движения водяного пара (рис. 2.5), так как конденсация и испарение воды происходят в зависимости от влажности на границе. При влажности окружающего воздуха уд = 100% насыщение на границе облака происходит сразу, как только пар из облака достигает данной точки, и скорость движения фронта практически совпадает со скоростью движения пара. При относительной влажности воздуха 0% граница тумана движет-