Моделирование процессов распространения токсичных компонентов топлива при эксплуатации жидкостных ракет

Шереметьева, Ульяна Михайловна

Моделирование процессов распространения токсичных компонентов топлива при эксплуатации жидкостных ракет тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Шереметьева, Ульяна Михайловна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Моделирование процессов распространения токсичных компонентов топлива при эксплуатации жидкостных ракет»

Автореферат диссертации на тему "Моделирование процессов распространения токсичных компонентов топлива при эксплуатации жидкостных ракет"

На правах рукописи

Шереметьева Ульяна Михайловна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТОКСИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТ

01.02.05 - механика жидкости газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск 2006

Работа выполнена в Томском государственном университете

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, гтроф&сор Архипов Владимир Афан|сьевич

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

проффсор Кузнецов Гений Владфирович

докто| технических наук, проффсор Трушляков Валерий Иванович

Ведущая организация

Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН, г. Бий|к.

Защита состоится "08" декабря 2ф)6г. в 14 часов ¿0 минут на заседании Диссертационного совета Д 2121267.13 при Томском государственном университете по адресу: 634050, г. |омск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета. |

Автореферат разослан "08" ноября 2006 г.

Ученый секретарь |

Диссертационного Совета Д 212.26?. 13, доктор технических наук |

Р/^ Ю.Ф.

Христенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработка комплекса физико-математических моделей для прогнозирования степени загрязнения токсичными компонентами территорий в районе аварий, отделения и падения отработанных ступеней ракет-носителей является на сегодняшний день весьма своевременной и актуальной, особенно для районов Западной Сибири, Горного Алтая, где имеются зоны отчуждения, в которые падают отделенные фрагменты ракет. Экологическую проблему создает тот факт, что в баках отделенных отработанных двигательных установок остается большое (до 2,5 тонн) количество компонентов - так называемый «гарантийный запас топлива». Этот «гарантийный запас» несимметричного диметилгидразина (НДМГ) и азотного окислителя попадая в атмосферу и на поверхность Земли, обладая высокой токсичностью, может принести значительный вред всем видам живых организмов. НДМГ является токсичным веществом первого класса опасности, одновременно проявляет канцерогенные и мутагенные свойства и относится к суперэкотоксикантам. Установлено, что НДМГ оказывает токсическое воздействие на печень, нервную систему, влияет на иммунный статус населения.

Оценить степень загрязнения окружающей среды возможно только с помощью глубоких физико-математических моделей, адекватно описывающих все физические факторы, процессы и явления, сопровождающие отделение и падение на Землю отработанных ступеней ракет-носителей. В мировой научной литературе нет методических проработок этого направления. Видимо, это связано с тем, что все зарубежные космические ракеты осуществляют старт в районах акваторий океанов, туда же падают отделенные ступени, и не возникало необходимости точного прогноза загрязнений. Только в России и Китае районы падения отделяющихся фрагментов ракет находятся внутри территорий, однако до недавнего времени вопросы экологии военно-промышленного комплекса не подлежали огласке и не ставились задачи методического обеспечения прогноза и оценок вредного воздействия.

Необходимо отметить, что в отечественной литературе недавно появились работы, помогающие понять некоторые аспекты данной проблемы. Вопросы распространения облака токсичных жидко-капельных компонентов и атмосферных осадков рассматривались в работах Садовскго А.П., Рапуты

В.Ф., Олькина С.Е., Зыкова C.B., Резниковой И.К., Александрова ЭЛ., Климовой Е.Г. и др. В большинстве известных работ при расчете скорости гравитационного осаждения капель использовалась, как правило, зависимость для стационарной (установившейся) скорости падения капли, полученная введением поправочного множителя в закон Стокса. Не были рассмотрены этапы формирования капель с учетом взаимодействия между ними. Недостаточно изучены вопросы, связанные с деформацией, разрушением капель аэродинамическими силами (критерий Вебера), а также с устойчивостью капли при больших ускорениях (критерий Бонда).

Целью настоящей работы является разработка научно-методических основ прогнозирования распространения в атмосфере токсичных загрязнений от выбросов компонентов ракетных топлив и их продуктов горения при эксплуатации ракет. Создание комплексной и адекватной модели прогнозирования распространения с максимальным комплексным учетом особенностей элементарных процессов, физических явлений и факторов. Проведение параметрических расчетов основных параметров облака капель в зависимости от их размера, химического состава, высоты разгерметизации.

Научная новизна работы. Предложена методология моделирования техногенных загрязнений при эксплуатации ракет-носителей. Получены новые экспериментальные результаты исследования режимов гравитациоиного осаждения капель, условий устойчивости и деформации капли в потоке, гравитационного осаждения высококонцентрированных аэрозольных систем. Разработана физико-математическая модель процесса распространения облака полидисперсных токсичных компонентов при гравитационном осаждении с учетом нестационарности движения, испарения, аэродинамического дробления капель с использованием критериев Вебера и Бонда, турбулентной диффузии и ветра.

Практическая значимость работы. Разработанные физико-математические модели являются научно-методической основой создания программных комплексов для прогнозирования загрязнения административных территорий. Эти программные комплексы найдут применение в административных службах, в экологических службах регионов Западной Сибири, санэпидемстанциях, МЧС.

Результаты исследований по теме диссертации использованы при проведении работ по госбюджетной теме НИИПММ ТГУ «Исследование и

разработка теории и методов прогноза загрязнений атмосферы от вредного воздействия эксплуатации объектов ракетно-космической техники» (20002005г). Единый заказ-наряд Агентства по образованию РФ для Томского госуниверситета, регистрационный номер 3.9.01.

Исследования диссертационной работы проводились при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ «Исследование процессов динамического взаимодействия капель» (проект 02-01-01246), «Физико-математическое моделирование распространения в атмосфере полидисперсных капель применительно к проблемам экологии и метеорологии» (проект А04-2.10-781, 2004 г) и Минобразования РФ «Разработка научных основ для расчета и прогнозирования распространения в атмосфере и выпадения на поверхность земли токсичных веществ при отделении отработанных ступеней ракет-носителей» (проект Е02-12.3-108).

Достоверность научных положений и выводов, полученных в работе, основывается на строгом физическом обосновании разработанных моделей, качественном и количественном соответствии с результатами, полученными другими авторами в пересекающихся областях исследований, согласовании расчетных и экспериментальных данных и проведением статистической обработки результатов экспериментов по стандартным методикам.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методология моделирования техногенных загрязнений при эксплуатации ракет-носителей.

2. Результаты экспериментального исследования режимов гравитационного осаждения капель, условий устойчивости и деформации капли в потоке, гравитационного осаждения высококонцентрированных аэрозольных систем.

3. Численное исследование процессов нагрева и испарения капель токсичных компонентов при движении в разных слоях атмосферы.

4. Физико-математическая модель гравитационного осаждения моно- и полидисперсных капель в атмосфере.

5. Комплексная физико-математическая модель и результаты расчетов эволюции облака жидко-капельных токсичных компонентов с учетом нестационарности движения, испарения, аэродинамического дробления капель с использованием критериев Вебера и Бонда, турбулентной диффузии и ветра.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международных и Всероссийских симпозиумах и конференциях: Международная конференция «Экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики» (Томск: 2000, 2001); Рабочая группа «Аэрозоли Сибири» (Томск: 2002, 2003, 2004, 2005); Всероссийская научно-техническая конференция «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск: 2003, 2004, 2005, 2006); III Российско-монгольская научная конференция молодых ученых и студентов «Алтай: экология и природопользование» (Бийск: 2004); X Юбилейная Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техники и технологии СТТ-2004". (Томск: 2004); Региональная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск. ТГПУ: 2004, 2005, 2006); Всероссийская конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск: 2002, 2004, 2005, 2006); V Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (Самара: 2004); XIII Симпозиум по горению и взрыву (Черноголовка: 2005); Молодежная конференция «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» (Новосибирск: 2005); АРМ-2005 (С.-Петербург: 2005); The Second International Symposium on Nonequilibrium Processes, Combustion, and Atmospheric Phenomena (Sochi: 2005); VIII Всероссийская конференция «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Кемерово: 2005); IX Международная научная конференция (Красноярск: 2005); XI Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск: ТПУ: 2005); Международная школа-конференция молодых ученых «Физика и химия наноматериалов» (Томск: 2005).

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 26 печатных работах, список которых представлен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемых источников.

Диссертация изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 36 таблиц, библиография включает 105 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, перечислены полученные в диссертации новые результаты, отмечена их практическая ценность, представлены положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. Приведены характеристики: ракет-носителей, типичных компонентов ракетных топлив, атмосферы, указаны районы падения отделяющихся ступеней ракет-носителей на территории Томской области при пусках с космодрома «Байконур», приведена хроника аварий и катастроф за 1990-2005 г в России, представлен анализ исследований по моделированию осаждения капель атмосферных осадков, а также компонентов ракетного топлива в атмосфере.

Во второй главе предложена методология моделирования техногенных загрязнений при эксплуатации ракет-носителей. Основой выбранной концепции является моделирование нескольких возможных сценариев развития физических процессов и оценка максимальных загрязнений. Существенной трудностью при разработке физико-математических моделей процесса спуска отработанной ступени ракеты-носителя является наличие нескольких неопределенностей в развитии событий (неопределенным является количество топливных компонентов, оставшихся на борту в момент отделения, что приводит к неопределенности в количественных оценках начального облака заражения при разгерметизации, неопределенной является одновременность (разновременность) разгерметизации баков горючего и окислителя и, как следствие, неопределенность химического взаимодействия горючего и окислителя, оказавшихся в атмосфере, неопределенными являются метеоусловия в районах падения отделенных фрагментов и, в связи с этим, неопределенность переноса токсичных аэровзвесей в атмосфере и т.д.). В силу наличия указанных неопределенностей предлагается реализовать такую методологию прогнозирования, которая позволяла бы построить несколько сценариев развития возможных событий и по построенным сценариям определять максимально возможный спектр вредных для окружающей среды факторов. В качестве примеров приведены несколько сценариев развития процесса спуска отделенных ступеней ракет-носителей, разгерметизации баков и распространения загрязнений.

Предложенная методология, реализованная в виде программных комплексов, может быть применена для прогнозирования как штатных, так и нештатных (аварийных) ситуаций.

В третьей главе проведены исследования режимов гравитационного осаждения капель, условий устойчивости и деформации капли в потоке.

При движении капли в потоке действующие на нее аэродинамические силы могут превышать силы поверхностного натяжения, в результате чего капля теряет устойчивость, деформируется и разрушается с образованием более мелких вторичных капель.

Основным параметром, от которого зависит деформация и дробление

йг = йр — V - относительная скорость движения капли диаметром £>, йр —

вектор скорости капли, V — вектор скорости газа, ар — коэффициент поверхностного натяжения капли, р — плотность среды (газ или жидкость), в которой движется капля. Значение числа Вебера У?екр, при котором

происходит дробление капли, называется критическим. При определенных условиях капля может дробиться в ускоряющемся потоке при достижении

критического значения числа Бонда Во = (ррсоВ2 )/сгр . где со — ускорение капли, рр — плотность капли. Для описания движения капли, обтекаемой

жидкостью, к безразмерным критериям У/е и Яе, записанным для этого случая, необходимо добавить число Рейнольдса, характеризующее внутреннее течение в капле; а также модифицированное число Бонда

Экспериментально изучена деформация одиночной первоначально сферической капли, движущейся под действием силы тяжести в другой жидкости при двух режимах обтекания — движение при умеренных числах Рейнольдса (= 10+100) и движение при малых числах Рейнольдса (7?е~1).

В экспериментах с умеренными числами Рейнольдса исследовалось движение капли оливкового масла в растворе дистиллированная вода -этанол. Экспериментальное исследование проводилось на установке, блок-схема которой представлена на рис. 1.

капли в потоке, считается число Вебера

где

Во = Во(1-р), р = р!рр.

Рис. 1. Установка для исследования деформации капли: 1 - кювета; 2 - рабочий раствор; 3 - воронка; 4 - вентиль; 5 - капля; 6 - шприц; 7 - масштабная линейка; 8 - лампа подсветки; 9, 10 - рассеиватель света; 11 - кинокамера

Анализ кинограмм показал, что капля при своем движении принимает форму сплюснутого эллипсоида вращения (сфероида), малая ось которого, ориентирована по направлению движения капли (рис. 2). При обработке кинограмм измерялись размеры большой (2а) и малой (26 ) осей сфероида и осевая координата его центра масс и определялась скорость движения капли. Диаметр эквивалентной сферической капли (объем которой равен объему

деформированной капли) рассчитывался по формуле £>0 = 2

По измеренным значениям , £>0 рассчитывались критерии подобия -

числа Рейнольдса, Вебера и Бонда.

® «ы

в ® с £

Рис. 2. Движение капли оливкового масла в водно-спиртовом растворе

Рис. 3. Зависимость степени деформации капли от числа \Уе

Экспериментальные данные о степени деформации капли от числа Вебера е=/(1Уе) в диапазоне /?е» 10-5-100 представлены на рис. 3. Здесь же

приведена зависимость е = Ом/£>0 = 1 + О.ОТНУе, полученная

аппроксимацией результатов численного решения задачи, где Ом/й0 -

отношение миделева сечения сплюснутого сфероида к сечению эквивалентного шара.

Экспериментальное исследование движения капель при малых числах Рейнольдса проводилось на рассмотренной выше установке для другой пары модельных жидкостей (падение капли ртути в глицерине). При проведении опытов серьезной проблемой оказалось получение крупных капель ртути. В связи с большой плотностью и малой вязкостью ртути использование обычного капилляра не позволяет получить капли диаметром более 1-2 мм. Для получения капель ртути диаметром 5-10 мм использовалось специальное устройство, схема которого представлена на рис. 4.

1 - капилляр; 2 - приемная воронка; 3 — спиральный участок; 4 - раструб; 5 - сетка; 6 - шланг; 7 - груша, 8 - капля

При исследовании движения капли при малых числах Рейнольдса (ртуть в глицерине) было установлено, что если диаметр капли меньше 8 мм, то капля устойчива и при падении сохраняет сферическую форму. Соответствующее

значение числа составляет Во = 6.4. При движении капли диаметром ~ 10 мм капля неустойчива и распадается на фрагменты. Соответствующее значение числа Бонда составляет при этом Во = 10 .

Даны рекомендации по выбору адекватной зависимости для коэффициента аэродинамического сопротивления в диапазоне чисел

Рейнольдса до 5000 с учетом деформации капель. Приведены несколько эмпирических формул для аппроксимации стандартной кривой С0 ( /?е ).

Проанализированы процессы коагуляции и дробления капель. При описании эволюции фракционного состава капель в процессе гравитационной коагуляции наибольшее распространение получил кинетический подход.

Рассмотрен эффект влияния концентрации частиц на скорость осаждения. Экспериментально исследовались режимы гравитационного осаждения высококонцентрированной системы твердых сферических частиц в вязкой жидкости. Изучалось осаждение стеклянных и стальных шариков в водно-глицериновом растворе, коэффициент динамической вязкости которого варьировался в диапазоне ц=0,003-Ю.387 Па с. Эксперименты проводились в плоско-параллельной кювете из полированного оргстекла высотой 0.3 м. Измерение скорости осаждения на квазистационарном участке траектории проводилось времяпролетным методом, для визуализации процесса использовалась видеосъемка (рис.5).

Для анализа влияния геометрических и режимных характеристик процесса на скорость осаждения варьировались диаметр частиц, вязкость раствора и объемная концентрация частиц. Предварительно измерялась скорость гравитационного осаждения одиночных частиц, с использованием которой подбиралась адекватная зависимость для коэффициента сопротивления в зависимости от режима обтекания.

Рис.5. Осаждение сферических частиц в вязкой жидкости: а - ц=0.387 Пас; б - ц=0.267 Па-с; в - ц=0.003 Па-с 11

Результаты экспериментов показали кратное увеличение скорости осаждения совокупности частиц по сравнению с одиночной частицей в идентичных условиях. Скорость осаждения группы частиц возрастает с увеличением размера частиц. Для растворов с большей вязкостью наблюдается большее увеличение скорости с увеличением концентрации частиц.

Предсталена модель нагрева и испарения капли. Алгоритм расчета испарения свободно падающей капли следующий:

1. Уменьшение диаметра капли £) за счет испарения описывается

уравнением:

¿Р Л

1УА

2тгрр&

, где 1УЛ - скорость испарения.

АО

2. Расчет скорости испарения проводится по формуле: 1УА = Кх7гО

1 — XАО

где Кх — коэффициент массоотдачи, X АО - мольная доля пара вещества (жидкости) вблизи поверхности капли.

3. Коэффициент массоотдачи рассчитывается по критериальной

зависимости: К. =

Р/°л*г

2 + 0.6

Г °иРрЛг ( > М, 3

1 ъ ) {р/°лв, )

где л

коэффициент диффузии вещества в воздухе. Индекс "У" относится к

"пленочной" температуре = 0.5• (7^ + Тв).

4. Расчет коэффициента диффузии проводится по формуле:

\0-^ТХ1%МА+Мн)/(МАМв)\2

, где МА,М„ - молекулярные

массы компонентов, XV - диффузионные объемы молекул (табл. 1). Таблица 1 - Значения коэффициента диффузии Оав при 7'=273К,/?=0.1МПа

Вещество Вода Азотная кислота Керосин НДМГ Азотный тетраксид

Оав 0.22 0.14 0.12 0.09 0.11

Была получена зависимость для расчета коэффициентов диффузии ДАВ в воздухе для произвольных условий (р, 7):

Дм

Длв= — р

{ т \

\213)

По разработанной модели были проведены расчеты испарения капель НДМГ, падающих в атмосфере с разной высоты.

Учет влияния вертикальной координаты на физические свойства воздуха проведен по параметрам стандартной атмосферы.

Поскольку при движении капель в разных слоях атмосферы происходит их теплообмен с окружающей средой, то для расчета температуры капли Т5 использовалось уравнение теплового баланса в виде

Л £г ррср

где Ср - удельная теплоемкость жидкости; X - коэффициент теплопроводности воздуха; Тх, — температура поверхности капли; Т — абсолютная температура окружающего воздуха. Для расчета числа Нуссельта использовали критериальная зависимость

N«=2.0+0.56 ,

где ¡л — динамическая вязкость газа. Скорость осаждения капель ир находилась из численного решения уравнения движения, гкоторое в

^ с9рир ' " 24 4 стационарном случае имеет вид: тр% — С0Б , где С0 =—+

Плотность и поверхностное натяжение жидкого НДМГ на разных высотах находили по формуле рр = 1086-1,01 Т5, ар =5,88-Ю-2-1,157-10~4 7;.

Расчеты показали, что капли НДМГ диаметром менее 4 мм полностью испаряются в тропосфере на высотах от 2 до 10 км практически независимо от высоты их выброса (рис. 6, 7).

Получено, что капли НДМГ, падающие с высоты 40 км с начальным диаметром 6 мм, достигают поверхности Земли за 32 мин. При падении диаметр капли уменьшается до 3.2 мм.

1 - 0=0.2 м.м

2 -0=0.4 мм

3 - 0=1.0 мм 0=2.0 мм 0=4.0 мм 0=6.0 мм

Рис. 6. Высота полного испарения капель НДМГ разных размеров

А, км 10--

10 20 30 40 И, км Рис. 7. Высота полного испарения капель НДМГ Г)=Ъ мм в зависимости от высоты выброса

В четвертой главе приводятся физико-математическая постановка задачи определения параметров облака жидко-капельных токсичных компонентов, образующихся при разгерметизации в атмосфере топливных баков ракет-носителей.

Рассмотрены уравнения гравитационного осаждения капель. Проведен анализ режимов гравитационного осаждения капель токсичных компонентов в условиях переменности физических свойств атмосферы для высот разгерметизации до 40 км. Получено аналитическое решение данной задачи в рамках приближения стоксовского режима обтекания, позволяющее оценить предельные (приближенные) параметры облака капель. Для более сложного закона сопротивления (формула Клячко) составлен алгоритм компьютерной программы численного решения уравнения движения капель, на базе неявной разностной схемы. Проведены параметрические расчеты основных параметров облака капель в зависимости от их размера, химического состава, высоты разгерметизации. В табл. 2 приведены результаты расчета скорости стационарного осаждения капель воды (Стоке, Клячко) и соответствующие экспериментальные данные по скорости дождевых капель.

£), мм 0,1 0,4 1,0 2,0 3,0 4,0

ир, м/с (Стоке) 0,30 4,81 30,1 120,4 270,9 481,5

ир, м/с (Клячко) 0,25 1,59 3,8 7,1 9,9 12,5

ир, м/с (Экспер.) 0,27 1,64 4,03 6,49 8,06 8,83

Проведенные расчеты позволяют сделать вывод, что приближенная зависимость в рамках стоксовского режима обтекания дает завышенное значение скорости. Поэтому для более точных расчетов необходимо использовать более сложную формулу для коэффициента аэродинамического сопротивления С/> Результаты расчетов для нестоксовского режима (Клячко) удовлетворительно согласуются с опытными данными по скорости дождевых капель, что свидетельствует об адекватности используемых в модели зависимостей.

Приведена физико-математическая постановка задачи движения полидисперсных капель с учетом ветра.

Рассмотрена идеализированная модель процесса образования облака капель. Предположено, что разгерметизация произошла на некоторой высоте Н с температурой выше температуры замерзания компонента. При этом в атмосферу выбрасывается некоторая масса жидкости т. Под действием силы тяжести жидкость начнет ускоренно двигаться в сторону поверхности Земли. За счет процессов аэродинамического дробления первоначальный объем жидкости будет дробиться на фрагменты и в итоге образуется облако полидисперсных капель. В результате этих процессов формируется исходное облако с некоторой функцией g(r) массового распределения капель по размерам. В настоящей работе для описания спектра размеров капель в исходном облаке использовалось уравнение Розина-Раммлера:

-(-Г

— , где я, г0 - параметры распределения. Значения

го

параметров п = 2; г0 = 2 мм выбраны в соответствии с анализом экспериментальных данных по размерам дождевых капель (рис. 8).

д(г)

г\

/ \

+ \

/ \

1 - — — —

Рис. 8. Дифференциальная функция массового распределения капель

Минимальный объем образовавшегося облака капель Ут1л можно оценить по формуле (для случая «плотной упаковки» сферических частиц):

V . - 6т ' тт '

где рр — плотность жидкости, т - масса облака. В действительности за счет рассеивания капель объем будет больше и определится формулой:

Г игтт,

где а коэффициент, учитывающий рассеивание капель (а=1 соответствует «плотной упаковке»; а=2 - расстояние между каплями равно их диаметру; а=3 - расстояние между каплями равно двум диаметрам и т.д.). Приняв а=10 можно оценить начальный объем У0 или радиус Я0 облака капель (в предположении его сферичности). Так, например, для капель НДМГ (рр=790 кг/м3) при т =100 кг радиус первичного облака /?0=3.8 м.

Частицы разбивались на 6 фракций, и прослеживалась история каждой фракции.

Уравнение движения капель /-й фракции записывается в виде:

сВ

т.

р> Ж

-ЕЯ.

где т^ = (тгД3/6) рр - масса каплЬ /-й фракции; йр - вектор скорости капель г'-й фракции; /=} - движущие силы (= - сила тяжести,

ри 2

= —я - сила Архимеда, —---сила

/V 2

аэродинамического сопротивления, где К - объем капли, 5 = ——--

площадь ее миделева сечения)

Без учета силы Архимеда уравнения движения в проекциях на оси декартовой системы координат х, у, ъ (ось ъ направлена по направлению вектора ускорения свободного падения §) имеют вид:

__ 3 р

— = —'сЛи-ЪНи-и,),

<& 4 ррЦ

Зр _ • - I/ Ч ,

Здесь \й-йр1\ — 2+(и/-н'/ч)2 - модуль разностного

вектора; м, и, >у- компоненты вектора скорости ветра и ; м/)(, ир,, -компоненты вектора скорости капель /-й фракции ир,.

Для учета аэродинамического разрушения капель предполагалось, что при достижении критического значения числа Вебера )Уе=\Уе*= 17, а также при числах Бонда Во > Во. =10 капля дробится на две сферические равной массы.

Проведены расчеты траекторий полидисперсных капель при значении высоты разгерметизации #=18 км для двух вариантов состояния атмосферы, полученных при зондовых измерениях для г. Новосибирска, и г. Колпашево на 1.07.2001г., проекции траекторий капель НДМГ приведены на рис. 9, 10. Как видно из приведенных графиков, капли могут рассеиваться на значительные расстояния (свыше 20 км) от координаты точки выброса топлива.

V 2

...... ------ «Л зуу Х-

4 4 3 У)

О 5 10 15 20 25

Рис. 9. Проекции траекторий частиц разных фракций на горизонтальную плоскость

(Н=18км, г. Новосибирск): 1 -¿>=3 мм; 2 - 0=5 мм; 3 - £>=7 мм; 4 — 0=9 мм; 5 - />=11 мм

Рис. 10. Проекции траекторий частиц разных фракций на горизонтальную плоскость

(Н=18км, г. Колпашево): 1 -£>=3 мм;2-¿>=5 мм; 3-£>=7 мм; 4-/>=9 мм; 5-£>=11 мм

В пятой главе представлена модель диффузии аэрозольного облака. Концентрация облака для каждой фракции капель находили из уравнения диффузии:

дМ

д_ дх

дМр сШ дМр,_ -+ ур,' —г */>,/-

л' дх

дх

к.

ду

дм

р.'

К, - р-'

дг

где Мр. - концентрация капель /-й фракции, К — коэффициент турбулентной диффузии (по направлению х, у, г соответственно), иР ¡>иР , ~ компоненты вектора скорости капель. С помощью

аналитического преобразования удалось свести пространственную задачу к плоской и, тем самым, сократить объем вычислений. Начальные условия:

при 1=0: М -

Мр,0(х,у,г\ если (х,у,г)<=С1,

[0, если йО,

где О - область первоначального образования облака.

При постановке граничных условий для уравнения диффузии предполагалось, что М р; -»0 при >>-»<», 2->оо.

Граничные условия:

дМ.

при г = 0: =

где ир5 - скорость осаждения на подстилающую поверхность, - скорость осаждения облака.

дМ,

при г = Я: ——= инМ1. &

Замыкание уравнения диффузии требует совместного решения уравнений, описывающих движение атмосферы. На практике обычно используют кинематические модели, в которых скорость ветра, а также другие метеорологические параметры полагаются известными.

Для расчета коэффициентов турбулентной диффузии использовали результаты работ Берлянда и Генриховича. Для решения уравнений диффузии использовался метод Рунге-Кутта-Мерсона четвертого порядка точности.

Разработана комплексная математическая модель распространения облака капель в атмосфере. Предполагалось:

1. Скорость ветра не изменяется по времени и подчиняется

1п(г/г0)

логарифмическому закону: и = их—у—-—где г0 - шероховатость

Щъ/х о)

подстилающей поверхности.

2. Начальное распределение дисперсных капель жидкого ракетного топлива соответствует уравнению Розина-Раммлера.

3. Критериями разрушения капель приняты критические значения чисел Вебера и Бонда.

4. В качестве исходных данных привлечены параметры стандартной атмосферы (плотность, температура, вязкость и т.д.) в зависимости от высоты над уровнем моря.

Комплексная математическая модель распространения аэрозольного облака капель в атмосфере включает:

¿и р.

• уравнение движения капель /-й фракции тр -- = У. Ъ ,

<Л "г"'

причем выбирался соответствующий Ср в зависимости от режима осаждения:

/?е=0-Н - С/^24//?е (Стоксовский режим); 24 4

/?е=1-г-700 — С0 =--Ьтр= (промежуточный режим — формула Клячко);

/?е=700-ьЗ-105 — С//Ю.44 (автомодельный режим).

Ф ' Л

6Л

(Ьс

кинематические соотношения — = м_,

¿1 р'

(к

уравнение теплового баланса -^р- ■

■Ыи(Т — Т5);

уравнение для изменения диаметра капли за счет испарения

¿Р, = УУА .

* 2тгРрг£>,2 ' уравнение диффузии аэрозольного облака

ал/

_а_

= а*

+ и

ал/

АГ.

" ах

ал/

я.»

ах

а:

а7 ал/

+ м

дМр

дг

р-1

у.«

ау

/г.

ал/

аг

На базе разработанной модели проведено расчетно-теоретическое исследование для типичных компонентов жидких ракетных топлив с учетом нестационарности движения, высоты разгерметизации.

На рис. 11, 12 представлена зависимость диаметра капли НДМГ от высоты, рассчитанная для различных высот разгерметизации. Как видно из рис. II, 12 можно выделить три этапа жизни капель. На первом, начальном, происходит разгон капель до критической скорости. Затем следует серия дроблений капли при превышении критической скорости падения. Изменение диаметра капли вследствие испарения на высотах от 10 до 40к,и крайне незначительно. После торможения капли в верхней тропосфере процесс дробления капель прекращается, и решающую роль в изменении размера капли играет ее испарение. Таким образом, высоты Ю/см капли достигают примерно одного размера, не зависящего от их начального размера.

— Р= 1 мм

— 0= 0.1 мм

— О» 0.01 мм

— £)=» 0.005 мм

— 0.002 мм

— 0= 0.001 мм

-С зо

ё о

со

1е-5

1е-4 1е-3 0.01 0.1 1 Диаметр капли Р, мм

Рис. 11. Зависимость диаметра

капли НДМГ от высоты (высота

разгерметизации Я=40км)

0 1е-5

— С)" 1 мм

— О» 0.1 мм

— О» 0.01 мм

— О» 0.005 мм

— СЬ 0.002 мм

— 0.001 мм

1е-4 1е-3 0.01 0.1 1 Диаметр капли О, мм

Рис. 12. Зависимость диаметра

капли НДМГ от высоты (высота

разгерметизации 7/=30км)

На рис. 13 показана суммарная концентрация капель НДМГ в полидисперсном облаке для различных моментов времени. Граница облака соответствует предельно допустимой концентрации НДМГ. Масштаб размера облака приведен на рис. 13а.

к=10.590 км

Л=7.600 км

Л=6.850 км

Л=6.780 км

10680.С > 10660С э 10640.« 3 1062ОХ Э 10600Х 3 Ш5вОХ Э 10560С Э 105401 > 10520* Э 10500 Л)

25 м

¿¿.(ю (иооо «маоо «во.оо длоо

иоаао шодо

а б в г

Рис. 13. Концентрация капель НДМГ в полидисперсном облаке в различные моменты времени: а- г=зо с, б - / = 60 с,в- г = 180 с, г - г = зоо с Л — высота над уровнем Земли, время после разгерметизации

Из анализа полученных результатов можно оценить как происходит эволюция полидисперсного аэрозольного облака капель, сформировавшегося на высоте 12 км, с течением времени.

Под действием гравитационного осаждения и ветра происходит смещение облака капель в атмосфере. При этом вследствие быстрого осаждения первоначально сферическое облако становится вытянутым. Размеры облака вследствие процессов турбулентной диффузии первоначально увеличиваются с течением времени, однако это увеличение незначительно. Концентрация капель в облаке вследствие испарения уменьшается и через 5-7 минут после формирования облака весь жидкий НДМГ переходит в газовую фазу, что приводит к прекращению существования аэрозольного облака.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе анализа литературы систематизирована база данных по характеристикам атмосферы, ветра, физико-химическим свойствам компонентов ракетного топлива, необходимая для моделирования процессов распространения токсичных компонентов в атмосфере.

2. Предложена методология физико-математического моделирования техногенных загрязнений при эксплуатации жидкостных ракет-носителей. Основой выбранной концепции является моделирование нескольких возможных сценариев развития физических процессов и оценка максимальных загрязнений.

3. Экспериментально исследовано влияние числа Бонда на устойчивость капли. При исследовании движения капли при малых числах Рейнольдса подтверждена неустойчивость капли в диапазоне значений числа Бонда больших 10.

4. Экспериментально исследованы режимы гравитационного осаждения высококонцентрированных аэрозольных частиц в вязкой жидкости. Получено, что степень увеличения скорости частиц зависит от их размера и количества, а также от вязкости раствора. Для растворов с большее вязкостью наблюдается большое увеличение скорости с ростом концентрации частиц.

5. Численно исследованы процессы нагрева и испарения свободно падающих одиночных капель в атмосфере для типичных компонентов

ракетных топлив. Показано, что испарение капли происходит в основном в тропосфере, ниже 10 км, практически независимо от высоты выброса.

6. Разработана физико-математическая модель распространения облака жидко-капельных токсичных компонентов с учетом нестационарности движения, испарения, аэродинамического дробления с использованием критериев Вебера и Бонда, диффузии и ветра.

7. С использованием данной модели проанализированы возможные режимы осаждения в зависимости от высоты разгерметизации. Проведены параметрические расчеты основных параметров облака капель в зависимости от их размера, химического состава, высоты разгерметизации.

8. Данная модель может быть использована также для решения широкого класса других экологических задач, связанных с техногенными процессами и аварийными ситуациями (разрыв нефтепроводов, бензохранилищ, аварии самолетов).

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

1. Рыжих Е.Н., КопцеваЕ.Ю., Шереметьева У.М. Моделирование параметров облака токсичных аэрозолей в районе аварий ракет-носителей. // Экология пойм сибирских рек и Арктики. Тезисы докладов. - Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2000. С. 58.

2. Копцева Е.Ю., Шереметьева У.М. Образование и эволюция жидко-капельных токсичных компонентов при авариях ракет-носителей. //Экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики. Тезисы докладов. -Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2001. С. 66.

3. Архипов В. А., Копцева Е.Ю., Трофимов В.Ф., Шереметьева У.М. Параметры аэрозольного облака при выбросе жидких ракетных топлив в атмосферу // Аэрозоли Сибири. IX Рабочая группа: Тезисы докладов. -Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2002. С. 35.

4. Березиков А.П., Копцева Е.Ю., Шереметьева У.М. Образование и эволюция жидко-капельных токсичных компонентов при авариях ракет-носителей // Исследование по баллистике и смежным вопросам механики. Сборник статей. - Томск: Изд-во Томского университета, 2002. С.8-9.

5. Архипов В. А., Козлов Е.А., Ткаченко A.C., Трофимов В.Ф., Шереметьева У.М. Моделирование распространения аэрозольного облака при выбросе жидких ракетных топлив в атмосферу // Аэрозоли Сибири. X Рабочая группа: Тезисы докладов. - Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2003. С. 58.

6. Ткаченко A.C., Шереметьева У.М. Моделирование процесса распространения облака полидисперсных токсичных компонентов // Физика и химия высокоэнергетических систем. Доклады конференции. — Томск: Изд-во Томского университета, 2003. С. 11-12.

7. Шереметьева У.М. Моделирование параметров облака токсичных компонентов в районе аварий ракет-носителей // X Международная научно-практическая конференция молодых ученых «Современные техники и технологии». Труды конференции. - Томск: Изд-во ТПУ, 2004. С. 349-352.

8. Шереметьева У.М. Моделирование параметров токсичных аэрозолей в районе аварий ракет-носителей // III Российско-монгольская научная конференция молодых ученых. Материалы конференции. — Бийск: Изд-во НИЦ БГТГУ им. В.М. Шукшина, 2004. С. 45-51.

9. Архипов В. А., Березиков А.П., Шереметьева У.М. и др. Моделирование распространения аэрозольного облака при выбросе жидких ракетных топлив в атмосферу // Оптика атмосферы и океана, 2004. Т. 17, №5-6. С. 488-493.

Arkhipov V.A., Berezikov А.Р., Sheremetveva U.M. Modeling the spread of aerosol cloud accompanying liqiuid propellant emission into the atmosphere // Atmospheric and Oceanic Optics, 2004. Vol. 17. No. 5-6. pp. 433-438.

10. Шереметьева У.М. Распространение в атмосфере облака токсичных компонентов жидких ракетных топлив // Четвертая Международная школа-семинар «Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем». Сборник материалов. В 2 томах. Т. И. - СПб.: БГТУ, 2004. С. 204.

П. Шереметьева У.М. Влияние процессов испарения на эволюцию облака токсичных композитов жидких ракетных топлив // Физика и химия высокоэнергетических систем. Доклады конференции. - Томск: Изд-во Томского университета, 2004. С. 59-60

12. Козлов Е.А., Шереметьева У.М. Анализ моделей испарения при гравитационном осаждении капель в атмосфере // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики. Доклады IV Всероссийской научной конференции. - Томск: Изд-во Томского университета, 2004. С. 105-106.

13. Березиков А.П., Архипов В.А., Усанина A.C., Шереметьева У.М. Устойчивость капли при малых числах Рейнольдса // Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей. Доклады Всероссийской научной конференции. Вып X. -Новосибирск: ИТПМ, 2005. С. 7-10.

14. Шереметьева У.М. Анализ критериев устойчивости капли в потоке газа // Физика и химия высокоэнергетических систем. Сборник материалов I Всероссийской конференции молодых ученых. - Томск: Изд-во Томского университета, 2005. С. 237-238.

15. Шереметьева У.М.. Литвинов В Л, Влияние устойчивости капель на характеристики кислотных дождей // Материалы IX Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и образование". - Томск: ТГПУ, 2005. Т. 6. Часть 3. С. 318-322.

16. Шереметьева У.М. Осаждение облака токсичных компонентов при авариях жидкостных ракет // XIII Симпозиум по горению и взрыву Тезисы докладов. - Черноголовка, 2005. С. 211.

17. Arkhipov V.A., Kozlov Е.А., Sheremetyeva U.M. Spreading of a Drop Cloud in the Atmosphere // Materials of the Second International Symposium on Nonequilibrium Processes, Combustion, and Atmospheric Phenomena. -Sochi, 2005. Volume 2. pp. 351-358.

18. Архипов В.А., Матвиенко O.B., Шереметьева У.М. Оценка рисков загрязнения окружающей среды при эксплуатации ракетно-космической техники // Материалы IX Международной научной конференции. -Красноярск: Сиб. гос. аэрокосм, университет, 2005. С. 103.

19. Шереметьева У.М. Устойчивость и режимы дробления облака капель при гравитационном осаждении // V Всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии». Тезисы докладов. - Новосибирск: Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, 20Q5. С. 18-19.

20. Архипов В.А., Васенин И.М., Шереметьева У.М. и др. Режимы деформации и дробления жидко-капельных аэрозолей // Аэрозоли

Сибири. XII Рабочая группа: Тезисы докладов. - Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2005. С. 34.

21. Шереметьева У.М. Разработка математической модели распространения загрязнений в атмосфере при выбросах компонентов жидких ракетных топлив // Материалы Одиннадцатой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность». - Томск: ТПУ, 2005. С. 327-329.

22. Козлов Е.А. Шереметьева У.М. Прогнозирование экологической обстановки в районе падения ракет-носителей // Материалы Международной школы-конференции молодых ученых «Физика и химия наноматериалов». - Томск: Изд-во Томского университета, 2005. С. 492495.

23. Архипов В. А., Березиков А.П., Шереметьева У.М. и др. Моделирование техногенных загрязнений при отделении ступеней ракет-носителей // Изв. вузов. Физика, 2005. Т. 48, №11. С. 5-9.

24. Архипов В.А., Васенин И.М., Трофимов В.Ф., Шереметьева У.М. Режимы деформации и дробления жидко-капельных аэрозолей // Оптика атмосферы и океана, 2006. Т. 19, № 6. С. 1-4.

Arkhipov V.A., Vasenin I.M., Sheremetveva U.M. Conditions for deformation and crash of liquid-drop aerosols // Atmospheric and Oceanic Optics, 2006. Vol. 19. No. 6. pp. 473-476.

25. Шереметьева У.М. Анализ моделей испарения капель в атмосфере // Физика и химия высокоэнергетических систем: Сборник материалов II Всероссийской конференции молодых ученых. - Томск: Изд-во Томского университета, 2006. С. 342-345.

26. Arkhipov V.A., Sheremtveva U.M. Modes of Drop Gravitational Sedimentation in Atmosphere // XIII International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics". Abstracts. — Tomsk: Institute of atmospheric Optics SB RAS,2006.P. 138.

Тираж 100 экз. Отпечатано в КЦ «Позитив» 634050, г. Томск, пр. Ленина, 34а

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Шереметьева, Ульяна Михайловна

ПЕРЕЧЕНЬ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Характеристики ракет-носителей

1.1.1. Ракеты-носители

1.1.2. Высоты отделения ступеней, районы падения, аварии

1.1.3. Характеристики типичных компонентов ракетных топлив

1.2. Характеристики атмосферы

1.2.1. Состав атмосферы. Стандартная атмосфера

1.2.2. Ветер 32 1.2.3 .Турбулентность

1.3. Обзор исследований по моделированию осаждения капель

1.3.1. Поведение капель атмосферных осадков

1.3.2. Поведение капель ракетного топлива в атмосфере

2. КОНЦЕПЦИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ В РАЙОНАХ ПАДЕНИЯ ФРАГМЕНТОВ РАКЕТНОЙ ТЕХНИКИ

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ОСАЖДЕНИЯ КАПЕЛЬ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

3.1. Исследование деформации капли в потоке

3.1.1. Движение капли при умеренных числах Рейнольдса '

3.1.2. Движение капли при малых числах Рейнольдса

3.2. Коэффициент аэродинамического сопротивления

3.3. Процессы коагуляции и дробления капель

3.4. Осаждение высококонцентрированной системы частиц

3.5. Модель нагрева и испарения капли

3.5.1. Испарение свободно падающей капли

3.5.2. Расчет скорости испарения капли

3.5.3. Коэффициент диффузии в бинарных газовых системах

3.5.4. Алгоритм расчета испарения свободно падающей капли

3.5.5. Результаты исследования

4. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОБЛАКА КАПЕЛЬ В АТМОСФЕРЕ

4.1. Гравитационное осаждение капель

4.2. Алгоритмы численного решения уравнения движения капель

4.3. Результаты расчетов параметров облака капель

4.4. Моделирование движения полидисперсных капель с учетом ветра

4.4.1. Физико-математическая постановка задачи

4.4.2. Оценка максимального размера капель

4.4.3. Характеристики распределения частиц

4.4.4. Результаты исследования

5. КОМПЛЕКСНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ

ОБЛАКА КАПЕЛЬ В АТМОСФЕРЕ

5.1. Диффузия аэрозольного облака капель

5.1.1. Общие подходы к моделированию

5.1.2. Физическая постановка задачи

5.1.3. Математическая постановка задачи

5.1.4. Коэффициенты турбулентной диффузии 127 5.1.5 Численный метод (метод Рунге-Кутта)

5.2. Комплексная модель движения облака капель

5.3. Анализ результатов исследования

Введение диссертация по механике, на тему "Моделирование процессов распространения токсичных компонентов топлива при эксплуатации жидкостных ракет"

Актуальность темы диссертации. Разработка комплекса физико-математических моделей для прогнозирования степени загрязнения токсичными компонентами территорий в районе аварий, отделения и падения отработанных ступеней ракет-носителей является на сегодняшний день весьма своевременной и актуальной, особенно для районов Западной Сибири, Горного Алтая, где имеются зоны отчуждения, в которые падают отделенные фрагменты ракет. Экологическую проблему создает тот факт, что в баках отделенных отработанных двигательных установок остается большое (до 2,5 тонн) количество компонентов - так называемый «гарантийный запас топлива». Этот «гарантийный запас» несимметричного диметилгидразина (НДМГ) и азотного окислителя попадая в атмосферу и на поверхность Земли, обладая высокой токсичностью, может принести значительный вред всем видам живых организмов. НДМГ является токсичным веществом первого класса опасности, одновременно проявляет канцерогенные и мутагенные свойства и относится к суперэкотоксикантам. Оценить степень загрязнения окружающей среды возможно только с помощью глубоких физико-математических моделей, адекватно описывающих все физические факторы, процессы и явления, сопровождающие отделение и падение на Землю отработанных ступеней ракет-носителей. В мировой научной литературе нет методических проработок этого направления. Видимо, это связано с тем, что все зарубежные космические ракеты осуществляют старт в районах акваторий океанов, туда же падают отделенные ступени, и не возникало необходимости точного прогноза загрязнений. Только в России и Китае районы падения отделяющихся фрагментов ракет находятся внутри территорий, однако до недавнего времени вопросы экологии военно-промышленного комплекса не подлежали огласке и не ставились задачи методического обеспечения прогноза и оценок вредного воздействия.

Необходимо отметить, что в отечественной литературе недавно появились работы, помогающие понять некоторые аспекты данной проблемы. Известно, что ГНЦ вирусологии и биотехнологии «Вектор» (Кольцово Новосибирская 7 обл.), ГУ НИИ биохимии СО РАН (г. Новосибирск) в рамках проекта Международного научно-технического центра проводят изучение клинико-эпидемиологических последствий продолжительного воздействия на население указанных выше техногенных факторов окружающей среды. Вопросы распространения облака токсичных жидко-капельных компонентов и атмосферных осадков рассматривались в работах Садовского А.П., Рапуты В.Ф., Олькина С.Е., Зыкова С.В., Резниковой И.К., Александрова Э.Л., Климовой Е.Г. и др. [14-24]. В большинстве известных работ при расчете скорости гравитационного осаждения капель использовалась, как правило, зависимость для стационарной (установившейся) скорости падения капли, полученная введением поправочного множителя в закон Стокса. Не были рассмотрены этапы формирования капель с учетом взаимодействия между ними. Недостаточно изучены вопросы, связанные с деформацией, разрушением капель аэродинамическими силами (критерий Вебера), а также с устойчивостью капли при больших ускорениях (критерий Бонда).

Результаты исследований по теме диссертации использованы при проведении работ по госбюджетной теме НИИПММ ТГУ «Исследование и разработка теории и методов прогноза загрязнений атмосферы от вредного воздействия эксплуатации объектов ракетно-космической техники» (20002005г). Единый заказ-наряд Агентства по образованию РФ для Томского госуниверситета, регистрационный номер 3.9.01.

1. Методология моделирования техногенных загрязнений при эксплуатации ракет-носителей.

4. Физико-математическая модель гравитационного осаждения моно- и полидисперсных капель в атмосфере.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 26 печатных работах, в том числе в реферируемых изданиях: «Оптика атмосферы и океана», «Известия высших учебных заведений. Физика».

Заключение диссертации по теме "Механика жидкости, газа и плазмы"

Выводы по пятой главе

1. Разработана модель диффузии аэрозольного облака. С помощью аналитического преобразования свели пространственную задачу к плоской и, тем самым, сократили объем вычислений.

2. Приведены формулы для расчета коэффициентов турбулентной диффузии.

3. Представлена комплексная математическая модель распространения примеси в атмосфере.

4. Капли несимметричного диметилгидразина (НДМГ), образовавшиеся на высотах выше 12 км, не достигают поверхности Земли и испаряются в верхней тропосфере.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

4. Экспериментально исследованы режимы гравитационного осаждения высококонцентрированных аэрозольных частиц в вязкой жидкости. Получено, что степень увеличения скорости частиц зависит от их размера и количества, а также от вязкости раствора. Для растворов с большее вязкостью наблюдается большее увеличение скорости с ростом концентрации частиц.

5. Численно исследованы процессы нагрева и испарения свободно падающих одиночных капель в атмосфере для типичных компонентов ракетных топлив. Показано, что испарение капли происходит в основном в тропосфере, ниже 10 км, практически независимо от высоты выброса.

7. С использованием данной модели проанализированы возможные режимы осаждения в зависимости от высоты разгерметизации.

8. Проведены параметрические расчеты основных параметров облака капель в зависимости от их размера, химического состава, высоты разгерметизации.

9. Данная модель может быть использована также для решения широкого класса других экологических задач, связанных с техногенными процессами и аварийными ситуациями (разрыв нефтепроводов, бензохранилищ, аварии самолетов).

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата физико-математических наук, Шереметьева, Ульяна Михайловна, Томск

1. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф. Теория ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1980. -240 с.

2. Штехер М. С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1976.-340 с.

3. Александров Э.Л. О поведении капель ракетного топлива в атмосфере // Метеорол. и гидрология, 1993. №4. С. 36-45.

4. Сарнер С. Химия ракетных топлив. М.: Мир, 1969. -488 с.

5. Зрелов В.Н., Серегин Е.П. Жидкие ракетные топлива. М.: Химия, 1975. -320с.

6. Краткий справочник химика / Под ред. Б.В. Некрасова. М.: Госхимиздат, 1956. -560 с.

7. Матвеев А.Т. Основы общей метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. -874 с.

8. Гуральник И.И., Дубинский Г.П. и др. Метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. -440 с.

9. Тверской П.Н. Курс метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1962. -700с.

10. Мейсон Б.Д. Физика облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1961. -542с.

11. Gunn R., Kinzer G. The terminal velocity // J. Met. 1949. V. 6. P. 243-252.

12. Ryan R.T. The behavior of large, low-durface-tension water drops falling at terminal velocity in air // J. Appl. Meteorol. 1976. V. 15. P. 157-165.

13. Александров Э.Л. О скорости падения капель осадков // Изв. АН СССР. Физика атмосф. и океана, 1990. Т. 26, № 8. С. 878-880.

14. Н.Александров Э.Л. О поведении капель ракетного топлива в атмосфере // Метеорол. и гидрол. 1993. №4. С. 36-45.

15. Садовский А.П., Рапута В.Ф., Олькин С.Е., Зыков С.В., Резникова И.К. К вопросу об аэрозолировании гептила в районах падения отделяемых частей ракет-носителей // Оптика атмосф. и океана, 2000. Т. 13, № 6-7. С. 672-677.

16. Рапута В.Ф., Садовский А.П., Олькин С.Е., Зыков С.В., Резникова И.К., Смирнова А.И. Оценка характеристик выпадений ракетного топлива по его содержанию в озерной воде // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14, № 1. С. 80-83.

17. Ю.Н. Мороков, Е.Г. Климова и др. Моделирование загрязнения поверхности земли ракетным топливом // Оптика атмосферы и океана, 2004. Т. 17, № 9. С. 769-773.

18. Аггарвол С.К., Тонг А.И., Сириньяно В.А. Сравнение различных методов расчета испарения капель // Аэрокосмическая техника. 1985. Т. 3, № 7. С.12-24.

19. Наумов В.А. Влияние испарения на динамику падающих капель // Инжен.-физич. журнал. 1998. Т. 71. С. 222-224.

20. Пеннер И.Э., Коханенко Г.П., Шаманаев B.C. Самолетные исследования аэрозольного следа от отделяемых частей ракеты носителя // Оптика атмосферы и океана, 2001. Т. 14, № 12. С. 1137-1140.

21. Васильев И.Н. Выпадение ракетного топлива при сбросе 2 ступеней ракет // Наука и образование. 1999. №1. С. 39-41.

22. Климова Е.Г., Мороков Ю.Н. и др. Математическая оценка зон загрязнения поверхности земли ракетным топливом при падении отделяющихся частей ракет-носителей // Оптика атмосферы и океана, 2005. Т. 18, № 5, 6. С. 525529.

23. Петрова Г.М., Мирошкина А.Н. Закономерности рассеяния аэрозольных частиц в свободной атмосфере // Труды ИНГ, 1967. Вып. 7. С. 5-40.

24. Теверовский Е.Н., Дмитриев Е.С. Перенос аэрозольных частиц турбулентными потоками. -М.: Энергоатомиздат, 1988. -160 с

25. Бородулин А.И., Майстренко Г.А. Статистическое описание процесса турбулентной диффузии аэрозолей в атмосфере. Метод и приложения. Новосибирск: Изд-во Новосиб. Ун-та, 1992. -124 с.

26. А.Железняков. Советская космонавтика: хроника аварий и катастроф. СПб, 1998. -65с.

27. Материалы сайта "Jonathan's Space Home Page" Электронный ресурс. -http:// hea-www.harvard.edu/QEDT/icm/space/space.html

28. Сайт rbc.ru Электронный ресурс. http://www.rbc.ru/

29. Матвеев JI.T. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 2000. -778 с.

30. Козырев А.В., Ситников А.Г. Испарение сферической капли в газе среднего давления // УФН. 2001. Т. 171, № 7. С. 765-774.

31. КозыревА.В., Ситников А.Г. Испарение малых сферических капель в газе // Изв. вузов. Физика. 2004. Т. 47, № 3. С.66-73.

32. Ивченко И.Н., Мураден С.М. Об испарении сферических капель в бинарной газовой смеси // Изв. АН СССР. Серия МЖГ. 1982. № 1. С. 112-118.

33. Козлов Е.А., Крайнов А.Ю. Период самовоспламенения двухкомпонентного аэрозоля жидких горючего и окислителя // Физика горения и взрыва. 1999. Т. 35, №6. С. 15-21.

34. Архипов В.А., Березиков А.П., Козлов Е.А., Трофимов В.Ф. Образование и эволюция жидко-капельных токсичных компонентов при авариях ракет-носителей // II Межд. симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды". Томск СОРАН, 2000. С. 207-209.

35. Клячко JI.C. Уравнение движения пылевых частиц в пылеприемных устройствах // Отопление и вентиляция. 1934. №4. С. 27-29.

36. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1979. -448с.

37. Шереметьева У.М. Влияние процессов испарения на эволюцию облака токсичных композитов жидких ракетных топлив // Физика и химия высокоэнергетических систем. Доклады конференции. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. С. 59-60.

38. Архипов В.А,, Березиков А.П., Козлов Е.А., Шереметьева У.М. Моделирование распространения аэрозольного облака при выбросе жидких ракетных топлив в атмосферу // Оптика атмосферы и океана, 2004. Т. 17, №5-6. С. 488-493.

39. Шереметьева У.М. Моделирование параметров облака токсичных компонентов в районе аварий ракет-носителей // Современные техники и технологии: Труды. Томск: Изд-во ИГУ, 2004. С. 349-352.

40. Архипов В. А., Шереметьева У.М. Моделирование техногенных загрязнений при отделении ступеней ракет-носителей // Известия высших учебных заведений. Физика. Томск, 2005. Т. 48, №11. С. 5-9.

41. Васенин И.М, Архипов В.А., Бутов В.Г., Глазунов А.А., Трофимов В.Ф. Газовая динамика двухфазных течений в соплах. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1986. -286с.

42. Гонор А.Л., Ривкинд В.Я. Динамика капли. // Итоги науки и техники. Механика жидкости и газа. М.: ВИНИТИ, 1982. Т. 17. С. 86-159.

43. Шрайбер А.А. Многофазные полидисперсные течения с переменным фракционным составом дискретных включений. // Итоги науки и техники. Комплексные и специальные разделы механики. М.: ВИНИТИ, 1988. Т. 3. С. 3-80.

44. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. 4.1. М.: Наука, 1987. -464 с.

45. Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкости. М.: Мир, 1973. -760 с.

46. Бутов В.Г., Васенин И.М., Шрагер Г.Р. Деформация капли в вязком потоке и условия существования ее равновесной формы // Прикладная математика и механика. 1982. Т. 46, № 6. С. 1045-1049.

47. А. с. № 1428462 СССР, МКИ В OIL. Устройство для получения капель / Трофимов В.Ф., Линина Н.А., Пузырь К.Ж., Пупасов А.А. Опубл. в БИ. 1988. N17.

48. Аганин М. А. Законы слияния капель воды // Журнал геофизики. 1935. -Вып. 5. №4. С. 409-443.

49. Аганин М.А. Влияние примесей к воде и атмосфере на процесс слияния капель. // Изв. АН СССР. Серия географ, и геофиз. 1940. №5. С. 305-334.

50. Фукс Н.А. Успехи механики аэрозолей. М.: Изд-во АН СССР, 1961. -159с.

51. Стернин Л.Е., Маслов Б.Н., Шрайбер А.А., Подвысоцкий A.M. Двухфазные моно- и полидисперсные течения газа с частицами. М.: Машиностроение, 1980. -250 с.

52. Корсунов Ю. А., Тишин А. П. Экспериментальное исследование дробления капель жидкости при низких значениях числа Рейнольдса // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. 1971. № 2. С. 182-186.

53. Бородин В. А., Дитякин Ю. Ф., Ягодкин В. И. О дроблении сферическойкапли в газовом потоке // Журнал приклад, механ. и техн. физики. 1962. №1. С. 85-92.

54. Абромович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976. -888с.

55. Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача. Пер. с англ. М.: Химия, 1982. -696 с.

56. Ferziger J.H., Peric М. Computational Methods for Fluid Dynamics. Springer, 1999. -390p.62.1ssa R.I. Solution of implicity discretised fluid flow equations by operator splitting//J. Comput. Phys, 1985, Vol. 61 P. 40-51.

57. Crowe C., Sommerfeld M., Tsuji Ya. Multiphase Flows with Droplets and Particles. CRC Press., 1998. -472p.

58. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. -М.: Энергоатомиздат, 1984. -152 с.

59. Островский Г.М. Прикладная механика неоднородных сред. СПб (С.-П.): Наука, 2000. -359с.

60. Колмогоров А.Н. О логарифмически нормальном законе распределения частиц // ДАН СССР. 1941. Т. 31, № 2. С. 99-101.

61. Архипов В.А., Бондарчук С.С. Формулы связи параметров унимодальных распределений частиц по размерам с геометрическими характеристиками функций плотности вероятности // Механика быстропротекающих процессов. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1989. С. 83-92.

62. Атмосфера стандартная. ГОСТ 4401-81. -М.: Изд. стандартов, 1981. -180 с.

63. Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса. М.: Химия, 1974. -688с.

64. Dueck J., Neesse Th. Contribution to Analysis of Energy Spectrum and Transport Phenomena in a Turbulent Two-Phase Flow // The eight Beer Shiva Conference. Israel, Jerusalim, 1996. P. 108.

65. Hedin A.E., Fleming E.L, Manson A.H., Schmidlin F.J., Avery S.K., Clark R.R., Franke S.J., Fraser G.J., Tsuda Т., Vial F. and Vincent R.A. Empirical wind model for the upper, middle and lower atmosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 58, 1996. P. 1421-1447.

66. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М.: Наука, 1982. -208с.

67. Елкин К.Е., Васенин И.М. Математическое моделирование осаждения разряженного облака частиц // Известия ВУЗов. Физика, 1999. № 3. С. 109113.

68. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. М.: Мир, 1975. -320 с.

69. Ламб Г. Гидродинамика. М., 1947. -440с.

70. Баренблатт Г.И. О движении взвешенных частиц в турбулентном потоке // ПММ, 1953. Т. 17, № 3. С 203-274.

71. Бусройд Р. Течение газа со взвешенными частицами. М.: Мир, 1975. -296с.

72. Власов М.Н. Экологическая опасность космической деятельности. М.: Наука, 1999. -240 с.

73. Левин Л.М. О функциях распределения облачных капель по размерам // Изв. АН СССР, 1958. №10. С. 1211-1221.

74. Скорер Р. Аэродинамика окружающей среды. -М.: Мир, 1980. -549 с.

75. Лойцянский Л. Механика жидкости и газа. М.: Наука ГРФМЛ, 1973. -847с.

76. Crowe С., Sommerfeld М., Tsuji Ya. Multiphase Flows with Droplets and Particles // CRC Press., 1998. -472p.

77. Яблонский A.A., Никифорова B.M. Курс теоретической механики. СПб.: Издательство "Лань", 1998. -768с.

78. Броунштейн Б.И., Фишбейн Г.А. Гидродинамика, массо и теплообмен в дисперсных системах. - Л.: Химия, 1977. -280 с.

79. Clift R., Grace J.R., Weber М.Е. Bubbles drops and particles. New York, San Francisco, London: Acad. Press, 1978. -380 p.

80. Ривкинд В .Я., Рыскин Г.М. Структура течения при движении сферической капли в жидкой среде в области переходных чисел Рейнольдса // Изв. АН СССР. Сер. Механика жидкости и газа. 1976. -№1. - С. 8-15.

81. Ривкинд В.Я., Рыскин Г.М., Фишбейн Г.А. Обтекание сферической капли в переходной области чисел Рейнольдса//ПММ. 1976. Т. 4., №4. С. 741-745.

82. Протодьяконов И.О., Ульянов С.В. Гидродинамика и массообмен в дисперсных системах жидкость жидкость. - Л.: Наука, 1986. -272 с.

83. Годунов С.К., Забродин А.В. и др. Численные методы многомерных задач газовой динамики. -М.: Наука, 1976. -400с.90.1ssa R.I. Solution of implicity discretised fluid flow equations by operator splitting//J. Comput. Phys, 1985. Vol. 61. P. 40-51.

84. Природоохранная деятельность. Сборник информационных материалов. -СПб.: Интеграл, 1998. -40с.

85. Указания по расчету рассеяния примеси, содержащихся в выбросах промышленных предприятий. СН 369 - 74. -М.: Стройиздат, 1975. -41с.

86. Вызова Н.Л. Методическое пособие по расчету рассеяния примесей в пограничном слое атмосферы по метеорологическим данным. М.: Гидрометеоиздат, 1973. -46 с.

87. Techniques and decision making in the assessment off-site consequences of an accident in a nuclear facility. Safety series N 86, International Atomic Energy Agency, Vienna, 1987.

88. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме охраны окружающей среды. -М.: Наука, 1982. -190с.

89. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. Т.1. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. -694 с.

90. Кароль И.Л. Радиоактивные изотопы и глобальный перенос в атмосфере. -Л.: Гидрометеоиздат, 1972. -368с.

91. Hedin А.Е., Fleming E.L, Manson A.H., Schmidlin F.J., Udin S.K. Empirical wind model for the upper, middle and lower atmosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 58,1996. P. 1421-1447.

92. Вызова Н.Л., Гаргер E.K. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. -278с.

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

94. Джонсон К. Численные методы в химии. М.: Мир, 1983. -185 с. Ю2.Калиткин Н.Н. Численные методы. -М.: Наука, 1978. -512 с.

95. Семенченко Б.А. Физическая метеорология. М.: Аспект Пресс, 2002. -387с.

96. Ландау Л.Д., Лифшиц В.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1988. -733с.

97. Архипов В.А., Васенин И.М., Трофимов В.Ф., Шереметьева У.М. Режимы деформации и дробления жидко-капельных аэрозолей // Оптика атмосферы и океана, 2006. Т. 19, № 6. С. 1-4.