6.Chrysikopoulos C.V., Hildmann L.M., Roberts P.V. A three-dimensional steady-state atmospheric dispersion-deposition model for emission from a ground-level area source //Atmos. Env., 1992. V. 26A. N.5. Рp. 747-757.

7.Динамическая метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. 607 с.

2.7.Аэродинамическое моделирование

Важным методом исследования процессов распространения примесей в атмосфере является моделирование в аэродинамических трубах. По сравнению с натурными экспериментами, каждый из которых требует участия сотни человек с сотнями приборов и соответствующего транспортного обеспечения, зачастую с привлечением авиации, эксперименты в лабораториях несравнимо дешевле. Поэтому метод широко распространен. Его современный уровень продемонстрирован в докладах, представленных на IV международной конференции по моделированию атмосферных течений и распространения примесей с помощью аэродинамических труб и водных каналов. Эти доклады составили целый выпуск журнала Atmospheric Environment, (V. 25A, 1991, N.7.) В частности, моделирование процессов распространения примеси над сложными территориями описано в статье [1]. Существует мнение, что использование аэродинамического моделирования в ряде случаев может составить серьезную альтернативу трехмерному моделированию [2] или может позволить дополнить эти модели недостающими начальными, граничными условиями, коэффициентами турбулентной диффузии и т.п.

Для иллюстрации вышесказанного используем опыт собственных работ, выполненных по заказу краевых служб гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций.

50

Красноярск имеет сложную орографию (рельеф местности). В черте города протекает Енисей (крупная незамерзающая река – мощный термостат). Над промышленные районами города при определенных метеоусловиях могут образовываться «острова тепла» (своеобразные воздушные пузыри теплого воздуха под куполами холодного). Все это серьезно осложняет математическое моделирование процессов переноса-диффузии примесей в атмосфере, в тоже время ряд этих проблем можно решить за счет использования аэродинамического моделирования.

В России специальная аэродинамическая труба создана во Всесоюзном научно-исследовательском институте молекулярной биологии (ВНИИ МБ) научно-производственного объединения "Вектор" в Новосибирске [3].

Труба имеет сечение 0.6 м ×0.6 м и длину 4 м. Скорость потока регулируется от 0.05 до 20 м/сек, его степень турбулентности 0.05 - 0.2. При этих параметрах принцип подобия позволяет моделировать реальные объекты с размерами от сотен метров до десятков километров. Для этого в соответствующем масштабе изготавливают макеты группы зданий или местности. Во втором случае используют карту горизонталей данной местности, а тип поверхности определяет шероховатость модельной поверхности.

Особое внимание уделяют водоемам, поскольку температура воды часто значительно отличается от температуры суши. Это достигается специальным подогревом макета водоема. Скорость воздуха в произвольной точке трубы измеряют с помощью термоанемометра, концентрация примеси – несколькими методами: фотоэлектрическим анализатором, отсосом на фильтр и с помощью лазерной диагностики. Все измерения автоматически вводят в ЭВМ, что существенно ускоряет и упрощает обработку данных.

Главной проблемой при моделировании в аэродинамических трубах является соблюдение критериев подобия. Полное подобие, конечно, невозможно, но значения основных параметров выдерживаются равными на-

51

турным значениям. В частности, при моделировании температурной неоднородности поверхности "земля - вода", температуру модельной "воды" устанавливают из сохранения натурного числа Ричардсона:

где:

g – ускорение свободного падения,

T – температура,

и границей приземного слоя.

Поскольку адекватность лабораторной модели натурным условиям не полная, во ВНИИ МБ была принята концепция исследований процессов распространения примесей в атмосфере, включающая три основных метода: натурные эксперименты, моделирование в аэродинамической трубе, математическое моделирование.

При этом математическая модель замышлялась как итог работы, поскольку она, во-первых, должна была включить в себя все полученные сведения и закономерности, а во-вторых, именно ее проще всего передавать многочисленным потенциальным заказчикам.

Моделирование в трубе полагалось наиболее объемной работой, которая должна была значительно сократить натурные эксперименты при настройке и доводке математической модели. Натурные эксперименты - очевидно, конечный критерий истинности как лабораторного, так и математического моделирования.

52

8

1.Фотокамера с детурбулизующими сетками.

2.Рабочая часть с окнами.

3.Подвижной потолок.

4.Датчики.

5.Устройство позиционирования - координатник.

6.Вентилятор.

7.Два мотора: для скоростей 2-30 м/с и 0.05-2 м/с. 8.Дроссель.

9.Заглушка обратного канала.

10.Люк выброса.

11.Обратный канал.

12.Наружняя стена здания.

13.Люк для забора воздуха.

14.Система подогрева воздуха.

Рис.4 Схема установки для аэродинамического моделирования ВНИИ МБ

53

Однако эта схема не была до конца реализована, а теперь масштаб исследований еще более сокращен. Самым слабым местом оказалось математическое моделирование. Поэтому, хотя во ВНИИ МБ хранятся данные многочисленных натурных и лабораторных экспериментов, воспользоваться ими сложно.

Представляется целесообразным реализовать предложенную сотрудниками ВНИИ МБ схему, но в более узком виде, только для окрестностей Красноярска. Для этого потребуется: изготовление макета долины Енисея; измерение на макете пространственных распределений компонент скорости ветра и параметров турбулентности для набора характерных метеоусловий; и наконец, измерение концентрации примесей для нескольких моделей выбросов. После того, как создаваемая математическая модель будет удовлетворительно описывать лабораторные процессы, можно, при наличии средств, заказать натурные эксперименты.

Для того чтобы оценить влияние орографии и реки на поля концентрации вредных веществ в аварийных ситуациях, были проведены аэродинамические исследования распространения примесей над макетом Красноярска. Изучалось влияние характерных особенностей воздушных течений над городом Красноярском, обусловленных особенностями рельефа окружающей местности, наличием незамерзающей реки и особенностями застройки города.

Приведем основные выводы этих исследований, важные для практических приложений:

•в зависимости от направления ветра коэффициенты турбулентной диффузии могут отличаться в несколько раз;

•учет реки важен и зависит от направления ветра;

•аэродинамическая установка и модель Красноярска в настоящем их состоянии мало пригодны для детального моделирования ситуации в городе при масштабах 20–30 км, однако при соответствующей доработке

54

могут быть использованы для моделирования конкретных объектов при масштабах 1–5 км.

Эти результаты свидетельствуют о том, что стандартные модели типа ОНД-86, малопригодны для оценки загрязнения атмосферы в условиях Красноярска. Хотя бы потому, что коэффициенты, определяющие рассеяние загрязнения в атмосфере (некий аналог диффузии) в этой модели одинаковы для всей Сибири, а как показывает аэродинамическое моделирование, что в пределах нашего города условия рассеяния примеси могут значительно различаться.

Моделирование в аэродинамической трубе, естественно, имеет альтернативу - полное математическое моделирование. Однако для создания модели турбулентного течения в условиях сложного рельефа с мощной рекой могут потребоваться большие затраты.

Список литературы

1.Kitabayashi K. Wind tunnel simulation of airflow and pollutant diffusion offer complex terrain //Atm.Env. V. 25A. 1991. N 7. Pp. 1155-1161.

2.Маршалл В. Основные опасности химических производств. М.:, Мир. 1989. 672 с.

3.Бакиров Т.С., Бородулин В.И., Садовский А.П., Тимошенко Н.И., Тенсин Г.А., Фролов А.С. Моделирование процесса турбулентной диффузии аэрозолей на аэродинамической трубе // Лабораторное моделирование динамических процессов в океане. Новосибирск: изд-во Инст. теплофи-

зики СО РАН. 1990. С. 172 - 175.

55