Динамика двухфазных струйных потоков, сопровождаемых фазовыми превращениями, в атмосфере тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1 Экологические и санитарные последствия загрязнения атмосферы выбросами из труб.

1.2 Мезомасштабные модели диффузии.

1.2.1 Статистические модели турбулентной диффузии.

1.2.2 Гауссова модель факела.

1.2.3 К-модели атмосферной диффузии.

1.3.Современное состояние теории свободных затопленных струй.1В

Глава 2. Основные уравнения модели «вложенных струй».

2.1. Постановка задачи.

2.2. Уравнение баланса массы.

2.3. Уравнение сохранения импульса.

2.4. Уравнение притока тепла.

2.5. Массо- и теплообмен.

2.6 Замыкающие соотношения.

Глава 3. Динамика газопылевой струи в атмосфере.

3.1 Основные уравнения.

3.2 Распространение газопылевой струи в атмосфере. в отсутствие ветра.

3.3 Динамика газопылевой струи при наличии ветра постоянного направления.

Глава 4. Распространение паро-газокапельной струи в атмосфере.

4.1 Уравнение баланса массы для паро-газокапельной струи.

4.2 Уравнение баланса энергии.

4.3 Условие начала образования конденсата.

4.4 Этапы распространения паро-газокапельной струи.

4.5. Анализ результатов численного моделирования процесса распространения парогазокапельной струи в атмосфере.

В диссертации исследуется динамика распространения выбросов (струйных потоков) различного состава в атмосфере. Предложена математическая модель «вложенных струй», описывающая процесс распространения струй состава «газообразный продукт горения + сажа + атмосферный воздух» с учетом массо- и теплообмена с атмосферой, а также воздействия сил плавучести и сопротивления со стороны атмосферы. Исследованы простейшие случаи распространения таких струй в атмосфере (в частности, в безветренную погоду). Проведено численное моделирование процесса распространения струй как вышеуказанного состава, так и состоящих из газообразного продукта горения, водяного пара, атмосферного воздуха и капель воды в «одноструйном» приближении. Для паро-газокапельных струй учтено влияние фазовых переходов на динамику различных параметров струи. Выявлены основные качественные закономерности распространения струй указанного состава, проанализировано влияние начальных параметров смеси и параметров атмосферы на характер процесса распространения.

Значительный интерес к задачам расчета распространения различных примесей в атмосфере обусловлен возрастанием риска антропогенного загрязнения окружающей среды, могущего привести к неблагоприятным экологическим последствиям.

Актуальность темы. Проблема распространения выбросов различных предприятий технических сооружений в атмосфере является не только актуальной задачей экологии, но и представляет значительный интерес с точки зрения физики.

Совершенно необходимой является предварительная оценка влияния на экологическую обстановку выбросов различных предприятий до того, как они будут размещены в той или иной зоне. Это требует разработки математических моделей, адекватно описывающих (как качественно, так и количественно) процесс распространения газообразных выбросов в атмосфере. Численное моделирование и компьютерный эксперимент, базирующиеся на таких моделях, необходимы для прогнозирования уровня загрязнения атмосферы и поверхности земли при различных погодных условиях и режимах работы источников выбросов.

Таким образом, актуальность темы обусловлена значительным влиянием хозяйственной деятельности человека на экологическую обстановку, особенно в промышленно-развитых регионах, к которым относится и Стерлитамак. Необходимо расширение и углубление теоретических представлений о процессах распространения различных выбросов из труб.

Цель работы. Целью данной работы является построение математической модели, адекватно описывающей процесс распространения в атмосфере струй различного состава, образующихся в результате выбросов из труб продуктов промышленной деятельности, а также выявление качественных закономерностей этого процесса и факторов, оказывающих наибольшее влияние на параметры таких струй.

Научная новизна. В диссертации предложена математическая модель, основанная на феноменологическом подходе к описанию процесса распространения струй в атмосфере с учетом действия на них сил плавучести и сопротивления со стороны атмосферы, а также тепло- и массообмена с окружающей средой и фазовых переходов внутри струи. Предложено описание фоновой турбулентности с помощью постоянных коэффициентов.

Наиболее важные полученные результаты.

Построена математическая модель феноменологического описания процесса распространения струй различного состава в атмосфере, проведено численное исследование влияния различных параметров самой струи и состояния атмосферы на качественные особенности процесса ее распространения.

Для газопылевых струй установлено:

- начальная температура смеси не оказывает значительного влияния на дальность распространения струи, как и температура окружающей среды.

Для паро-газокапельных струй получено:

- наличие водяного пара в струе оказывает большое влияние на характер изменения температуры струи: после «точки росы» падение температуры струи замедляется;

- уменьшение начальной массовой концентрации пара в приводит к возрастанию дальности распространения струи, несмотря на то, что начальная плотность смеси при этом повышается;

- влияние состояния атмосферы, определяемое эффективными коэффициентами тепло- и массообмена, на процесс распространения паро-газокапельных струй такое же как и для газопылевых струй;

- температура окружающего воздуха оказывает значительное влияние на дальность распространения выбросов: летом (Т~20° С) струя распространяется почти в 4 раза дальше, чем в холодное время года (Т~0° С ).

Практическая ценность. Полученные результаты расширяют и углубляют теоретические знания о процессе распространения примеси в атмосфере и имеют возможность быть использованными на практике для прогнозирования и оценки влияния деятельности различных предприятий на экологическую обстановку в регионе.

Достоверность. Достоверность результатов диссертации основана на применении фундаментальных общих законов механики сплошных сред и обусловлена согласованием полученных результатов с результатами наблюдений и измерений, полученных другими исследователями.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации

выводы, к которым мы пришли.

1. Построена математическая модель феноменологического описания динамики двухфазных струйных потоков различного состава в атмосфере, учитывающая тепло- и массообмен, силовое взаимодействие с атмосферой и фазовые превращения внутри потока. Предложенная модель представляет собой систему дифференциальных уравнений, полученных на основе законов сохранения, и замыкающих соотношений.

2. Найдены аналитические решения для ряда простейших случаев распространения струи в безветренной атмосфере; для случая отсутствия массо- и теплообмена с учетом силы сопротивления со стороны атмосферы. Определено выражение для критической скорости для смесей с положительной плавучести. Полученные аналитические решения были использованы для тестирования программы, созданной для численных расчетов динамики струйных потоков с учетом ветра в атмосфере.

3. Анализ результатов численного моделирования для паро-газокапельных струй показал, что наличие водяного пара в смеси на выходе из трубы оказывает значительное стабилизирующее воздействие на температуру потока: за «точкой росы» скорость падения температуры замедляется, что можно объяснить выделением некоторого количества тепла при конденсации пара;

- кроме того, уменьшение начальной массовой концентрации пара в смеси приводит к возрастанию дальности распространения. Хотя на выходе из трубы плотность смеси при этом выше, но в дальнейшем, после конденсации пара, плотность струи с меньшим паросодержанием становится гораздо ниже, чем плотность более паронасыщенной струи. В итоге это и определяет большую дальность распространения таких потоков;

- состояние атмосферы, определяемое эффективными коэффициентами тепло- и массообмена, является одним из наиболее важных факторов для процесса распространения влагосодержащих выбросов: увеличение этих коэффициентов ведет к ускорению всех процессов, протекающих в струе; -температура окружающего воздуха оказывает значительное влияние на дальность распространения выбросов: летом (Т~20° С) струя распространяется почти в 4 раза дальше, чем в холодное время года (Т~0° С). Это связано с тем, что в теплое время года «точка росы» для смеси достигается позже, соответственно, смесь дольше остается «легкой», не содержащей капель воды;

- начальная температура смеси не оказывает заметного влияния на динамику струи вследствие того, что большие эффективные коэффициенты массо- и теплообмена (Sh- D « Х- Nu/ (р-с)= 1 м2 / с) приводят к быстрому выравниванию температуры смеси и окружающей среды, поэтому за точкой росы все параметры струй с различной начальной температурой очень близки. дальность распространения струи несколько возрастает как при увеличении диаметра выходного отверстия трубы, как и при увеличении скорости выброса смеси;

- с увеличением скорости ветра дальность распространения струи возрастает.

4. Проведено численное исследование влияния различных параметров газопылевой струи и состояния атмосферы на качественные особенности процесса ее распространения. Для пассивных струй (скорость которых на выходе много меньше скорости ветра) получено:

- состояние атмосферы, определяемое эффективными коэффициентами тепло- и массообмена, как и для паро-газокапельных струй, является важнейшим параметром, влияющим на динамику струйных потоков. В менее возмущенной атмосфере (Sh- D~ Л- Nnj (р ■ с) = 0,1 м2 / с) дальность распространения почти в 2 раза выше, чем в более возмущенной (Sh-D*A-Nu/ (р-с) = 1м2/с);

- в отличие от паро-газокапельных струй, температура окружающей среды практически не оказывает влияния на дальность распространения газопылевой струи, так как изменения плотности газопылевой струи в меньшей степени зависит от температуры окружающей среды;

- повышение начальной массовой концентрации сажи в смеси приводит к снижению дальности распространения струи: большая начальная плотность смеси приводит к тому, что действия сил плавучести на начальном этапе недостаточно для более дальнего распространения смеси;

- изменение скорости ветра приводит к тем же последствиям, что и для паро-газокапельных струй;

- изменение начальной скорости струи, площади сечения выходного отверстия трубы, начальной температуры смеси не оказывают заметного влияния на динамику струи.

5. Для двухфазных газопылевых потоков сделано обобщение двух предельных схем массообмена в случае пассивной струи, представлена модель «вложенных струй».

Заключение

Подводя итоги проделанной работы, хочется выделить основные

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика / В 2 ч.- М., Наука, 1991 г., 600 с.

2. Аксенов А.А., Гудзовский А.В., Дядькин А.А., Тишин А.П. Смешение газов при вдуве низконапорной струи в поперечный поток // Изв.РАН. Сер. МЖГ, 1996 г., №3 С.67-74

3. Алоян А.Е., Йорданов Д.Л., Пененко В.В. Численная модель переноса примесей в пограничном слое атмосферы. Метеорология и гидрология, 1981, №1, С.37-40.

4. Андреев В., Панчев С. Динамика атмосферных термиков. Л.: "Гидрометеоиздат", 1975, 150 с.

5. Андрущенко В.А. Дрейф термика и пары термиков в поле стратифицированного ветра // Известия АН. Физика атмосферы и океана, 1993, т.29, №5, С.616-620.

6. Антропогенные изменения климата / Под ред. М.И. Будыко и Ю.А.Израэля. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, 405 с.

7. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей / Под ред. Ф.Т.М. Ньюистадта и Х.Ван Допа. Л.: Гидрометеоиздат, 1985, 351 с.

8. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1985, 272 с.

9. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л., Гидрометеоиздат, 1975, 250 с.

10. Вулис JI.А., Кашкаров В.П. Теория струй вязкой жидкости. М., Наука, 1965 г., 432 с.

11. Вульфсои А.Н. Развитие нестационарных конвективных струй в нейтрально стратифицированной атмосфере над точечным и линейным источником тепла и импульса / Изв.РАН, сер. ФАО, 2000 г., т.36, №5, С. 626-635

12. Генихович Е.Л. К вопросу о применимости гауссовой модели для расчета загрязнения воздуха. Тр. ГГО, 1982, вып.450, С. 35-42.

13. Гиршович Т.А. Турбулентные струи в поперечном потоке. -М.: Наука, 1993.-251 с.

14. Гудкова О.С. Предельные схемы массообмена в задаче о распространении паро-газокапельной струи в воздухе // Дифференциальные уравнения и их приложения в физике: Сб. науч. тр., г. Стерлитамак, 1999 г., С.142-147

15. Гудкова О.С. Распространение выбросов из труб в штиль // Региональная конф. Резонансные и нелинейные явления в конденсированных средах: Сб. науч. тр., г.Уфа, 1999 г. С.61-65

16. Гудкова О.С., Миколайчук Н.П. Динамика водо-паро-газовых струй в атмосфере // Спектральная теория дифференциальных операторов исмежные вопросы: Сб. науч. тр.: В 2-х ч. // Междунар. науч. конф. г.Стерлитамак, 1998 г., 4.2. С.27-33

17. Гудкова О.С., Шагапов В.Ш. Влияние силы сопротивления со стороны атмосферы при распространении газопылевой струи // Сб. матер. Респ. науч. конф., г. Салават, 2000 г., С. 63-67.

18. Данилов С.Ф., Должанский Ф.В. Квазидвухмерная турбулентность и роль внешнего трения / Изв.РАН, сер. ФАО, 2000 г., т.36, №1, С. 35-44

19. Добросельский К.Г. Геометрия слабонапорной струи в поперечном воздушном потоке / Теплофизика и аэромеханика, 2001 г., т.8, №2, С. 199-203

20. Защита атмосферы от промышленных загрязнений : Справочник 4.2 / Пер. с англ. — М., Металлургия, 1988, 711 с.

21. Иевлев В.М. Численное моделирование турбулентных течений / М., Наука, 1990 г.

22. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1979, 375 с.

23. Кароль И.Л, Розанов В.В., Тимофеев Ю.М. Газовые примеси в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1983, 191 с.

24. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на метеорологические процессы. Л.: Гидрометеоиздат, 1978,456 с.

25. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам. Л., Госэнергоиздат, 1961 г.

26. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теоретическая физика, т.4, "Гидродинамика". М., Наука, 1988, 737 с.

27. ЛевичВ.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959, 699 с.

28. Лодмирская Г.С. Равновесие жидкость пар / Справочник. - Л., Химия, 1987 г.

29. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973, 874 с.

30. Лоренц Природа и теория общей циркуляции атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970,259 с

31. Мартыненко О.Г., Коровкин В.Н., Соковишин Ю.А. Теория плавучих струй и следов. Мн.: Навука i тэхшка, 1991, 448 с

32. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука, 1982, 320 с.

33. Марчук Г.И. Численные решение задач динамики атмосферы и океана. -М.: Наука, 1973,303 с.

34. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, 751 с.

35. Мезингер Ф., Аракава А. Чиленные методы, используемые в атмосферных моделях. Л.: Гидрометеоиздат, 1979, 136 с.

36. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий, ОНД-86, Госкомгидромет. Л., Гидрометеоиздат, 1987, 92 с.

37. Методы расчета турбулентных течений / Под ред. А.Д. Хонькина, пер. с англ. М.: Мир, 1984, 464 с.

38. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. 4.1. М.: Наука, 1965, 640 с.

39. Налбандян О.Г. О переносе пассивной примеси в случайном поле скоростей / Изв.РАН, сер. ФАО, 1997 г., т.ЗЗ, №1, С. 195-202

40. Пененко В.В. Методы численного моделирования атмосферных процессов. Л.: Гидрометеоиздат, 1981, 351 с.

41. Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск: Наука, 1982, 320 с.

42. Прессман А .Я., Вельтищева Н.С, Распределение в атмосфере примесей от непрерывного источника в поле переменного ветра. Тр. Гидрометцентра СССР, 1974, вып. 139, С. 1309-1312.

43. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. М., Наука, 1989, 432с.

44. Седов JI. И. Механика сплошной среды (в двух томах) М.: Наука, 1976, 536 с.

45. Смит К. Основы прикладной метеорологии. Д.: Гидрометеоиздат, 1979, 233 с.

46. Станюкович К.П. Неустановившиеся движения сплошной среды. М.: ГИТТЛ, 1955, 804 с.

47. Теплофизические свойства воды в критических областях / Справочник. М., Издательство стандартов, 1970 г.

48. Терехов В.И., Пахомов М.А., Чичиндаев А.В. Влияние испарения жидких капель на распределение параметров в двухкомпонентном ламинарном потоке / ПМТФ, 2000 г., т.41, №6, С.68-78

49. Тернер Дж. Эффекты плавучести в жидкостях. — М.: Мир, 1977, 431 с.

50. Холпанов Л.П., Шкалов В.И. Гидродинамика и массообмен с поверхностью раздела. М., Наука, 1990 г.

51. Черный Г.Г. Газовая динамика. М.: Наука, 1988,424 с.

52. Шагапов В.Ш., Гудкова О.С. К описанию динамики распространения струй различного состава в атмосфере // Сб. матер. Междунар. науч. конф. «Моделирование, базы данных и информационные системы для атмосферных наук». Иркутск, 2001 г., С. 28

53. Шагапов В.Ш., Гудкова О.С. Распространение двухфазных струйных потоков, сопровождаемых фазовыми превращениями, в атмосфере // Сб. матер. Третьей Всерос. науч. конф. «Физические проблемы экологии (Экологическая физика)». Москва, 2001 г., С. 53

54. Шагапов В.Ш., Гудкова О.С. Распространение паро-газокапельных струй в атмосфере / «Известия Академии Наук. Физика атмосферы и океана» том 37, №3, 2001 г., С.313-321

55. Шувалов В.А., Левкович О.А., Кочубей Г.С. Приближеннче модели истечения сверхзвуковой струи газа в вакуум / ПМТФ, 2001 г., т.42, №2, С.62-68

56. Экологический программный комплекс для персональных ЭВМ "ZONE" / Под ред. А. С. Гаврилова. С.-Пб.: Гидрометеоиздат, 1992, 166 с.

57. Batchelor G.K. The Theory of Homogeneous Turbulence. Cambridge University Press, London, 1960, 195 p.

58. Bradley E.F. An experimental study of the profiles of wind stress, shearing stress and turbulence at crest of large hill / Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 1980, 106, P.101-124

59. Briggs G.A. Plume rise predictions, in: Lectures on Air Pollution, Boston, 1975, P.59-111

60. Brook R.R. The influence of water vapor fluctuations on turbulent fluxes./ Boundary-Layer Meteor., 1978, V.15, P.481-87

61. Irwin J.S. Estimating plume dispersion A comparison of several sigma schemes. / J. Clim. Appl.Meteorol., 1983, Y.22, P.92-114

62. Lumley J.L. Computational modeling of turbulenr flows. / Adv. Appl. Mech., 1979, V.18, P.123-176

63. Pantokratoras A. Horizontal penetration of inclined thermal buoyant water jet // Heat and mass transfer, 1998, V.25, №4, P.561

64. Pitts R.O., Lyons T.J. A coupled mesoscale/particle model to an urban area // Atmospheric Environment, 1992, V. 26B, №3, P. 279

65. Richards J.M. Experiments on motions of isolated cilindrical thermals through unstratified surroundings / Int. J. Air Water Poll., 1963, V.7, P. 1734

66. Sacre C. A comparison turbulence classification schemes / Atmos. Environ., 1979, V.14, P.741-750

67. Scorer R.S. The behavior of chimney plumes / Int. J. Air Poll., 1959, #1, P. 198-220