Изучение распределения скорости ветра и поведения факела вредных веществ в приземном слое атмосферы заводской площадки

ВЦСПС ВСЕСОЮЗНЫЙ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ

ОРДЕНА «ЗНАК ПОЧЕТА» НАУЧНО
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОХРАНЫ ТРУДА

БЕЗОПАСНОСТЬ И ГИГИЕНА ТРУДА

СБОРНИК НАУЧНЫХ РАБОТ 

ИНСТИТУТОВ ОХРАНЫ ТРУДА ВЦСПС

МОСКВА ∙ ПРОФИЗДАТ ∙ 1980

УДК 628.51:614.72

Ст. науч. сотр. В. Т. САМСОНОВ
(Московский институт охраны труда)

ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ВЕТРА И ПОВЕДЕНИЯ
ФАКЕЛА ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

ЗАВОДСКОЙ ПЛОЩАДКИ

Обтекание ветром производствен
ных зданий сопровождается резкими изменениями формы профилей 
скорости и отклонениями направления движения от горизонтального. Вследствие этого перенос газообразных выбросов вдоль по потоку 
осуществляется по криволинейным 
траекториям, изгибающимся кверху 
над восходящими участками границ 
циркуляционных зон и книзу над нисходящими участками. В зависимости 
от степени изгиба (в вертикальной 
плоскости) факела изменяется количество примесей,
проникающих в

межкорпусные циркуляционные зо
ны, следовательно, изменяется и 
уровень 
загрязнения 
атмосферы 

межкорпусных 
пространств. 
Одно
временно с деформацией поля скорости происходят резкие изменения 
полей интенсивности турбулентности 
и коэффициента турбулентной диффузии. Особенно большие величины 
градиентов этих характеристик ветра наблюдаются в вертикальном 
направлении. Поэтому примеси от 
источников, отличающихся между собой высотой и местом расположения 
на крыше здания, будут рассеиваться 
с 
разной интенсивностью 

вследствие различия

42

значений расчетной скорости и коэффициента 
диффузии, 
что 
не
обходимо учитывать
в
расчетах 

уровня загрязнения атмосферы межкорпусных пространств.

В этой статье приводятся зависи
мости, позволяющие определять в 
пространстве над застройкой величины 
продольной 
составляющей 

скорости ветра, обобщенного коэффициента турбулентной диффузии и 
положение осевой линии факела 
распространяющихся примесей.

На основании рассмотрения ре
зультатов измерений распределения скорости воздушных потоков, возникающих при обтекании моделей 
зданий, можно заметить некоторые 
характерные особенности. Например,
профиль продольной составляющей 
скорости ветра, имеющий логарифмическую форму в случае обтекания 
однородной 
горизонтальной 

местности (луга, степи, поля), за 
зданиями резко трансформируется и 
приобретает более сложную форму. 
При набегании потока на здание 
профиль скорости сначала вытягивается, затем над наветренной частью крыши резко наполняется, укорачивается, после чего опять вытягивается кверху, утончается и за пределами циркуляционной зоны отдельно стоящего здания постепенно 
вновь наполняется. Это наполнение 
начинается 
снизу 
от 
поверхности 

земли и постепенно охватывает всю 
высоту профиля скорости в турбулентном следе, возникающем за 
зданием.

Картина воздушных течений за 

зданиями становится наглядной, 
если на схематический чертеж нанести линии тока, определяющиеся как 
геометрические места точек постоянного значения функции тока. Под 
функцией тока понимается некоторая функция
( , )
x z

, производные 

которой по координатам связаны с 
компонентами скорости и воздушного потока уравнениями [1]:

Разность между двумя значения
ми
2
1






этой функции равна 

количеству воздуха, протекающего 
между линиями тока
2

и
1
 . 

Отсюда следует, что линии тока в 
случае поперечного обтекания достаточно длинного здания могут быть 
построены по измеренным в экспериментах профилям скорости потока. При этом расстояние между соседними линиями тока определяется из условия равенства площадей 
участков в пределах каждого профиля скорости, отсекаемых этими 
линиями.

На рис. 1 нанесены измеренные 

на моделях профили скорости и построенные по ним линии тока в случае обтекания ветром широкого (а, 
б) и узкого (в) зданий. Здесь же 
нанесены границы 1 циркуляционных 
зон и линии нулевых значений продольной составляющей скорости 2, 
отделяющие прямой поток циркулирующих масс воздуха от обратного.

Строение наветренной, единой и 

межкорпусной циркуляционных зон 
подобно строению подветренной зоны (см. рис. 1).

Экспериментальными 
исследова
ниями установлено, что на вертикальное распределение скорости 
ветра на промышленной площадке 
влияют относительные размеры и 
форма зданий, их взаимное расположение на площадке, плотность застройки и некоторые другие факторы.

В результате обработки опытных 

данных, часть которых представлена на рис. 1, получена следующая 
зависимость, описывающая распределение скорости ветра в пространстве над зданиями и между ними 
(за исключением обратных потоков 
циркуляционных зон):

,
(1)

где
— продольная составляющая 

скорости ветра на высоте 
от 

подстилающей поверхности, м/с; 

— то же невозмущенного по
тока ветра, м/с;

— толщина вытеснения по
граничного слоя ветра, м;

43

Рис. 1. Схема течений, возникающих при обтекании ветром производствен
ных зданий:

а — течение у подветренной стены широкого здания (подветренная циркуляционная зона); б — течение над крышей широкого здания (наветренная циркуляционная зона); в— течения, возникающие при обтекании узкого здания 
(единая циркуляционная зона); 1 — граница циркуляционной зоны; 2 — линия 
нулевых значений горизонтальной скорости ветра; 3 — профили продольной составляющей скорости ветра, построенные по экспериментальным данным; /—V —
номера сечений потока

—
параметр, характеризующий 

плотность застройки и определяемый как отношение суммарной длины циркуляционных 
зон вдоль направления ветра 
от границы застройки до рассматриваемого сечения к полной длине застроенной площадки в тех же пределах.

Толщина вытеснения 
трактует
ся как расстояние, на которое отодвигаются от здания линии тока 
внешнего течения вследствие образования

44

пограничного слоя (вытесняющее 
действие пограничного слоя) [2, 
3]. Она равна:

,

где
— толщина погранично
го слоя.

Параметр
перед первым по по
току зданием равен нулю, над наветренной или единой зонами этого 
здания равен единице, над вторым 
и последующими зданиями 0<
<1.

Формула (1) справедлива в пре
делах 1 
5.

а

б

в

На рис. 2 приведено сопоставление 

вычисленных по формуле (1) значений скорости с опытными данными, 
показывающее 
удовлетвори
тельное их соответствие. Лишь в области малых относительных высот 

отклонение опытных точек 

от расчетных значений в случае подветренной зоны несколько увеличивается. 
Это 
отклонение 
можно 

объяснить увеличением погрешности 
измерения скорости потока в условиях повышенной турбулентности.

Определенный по рис. 2 коэф
фициент, а, входящий в формулу 
(1), равен 1,75.

Если ветер движется вдоль одно
родной горизонтальной поверхности

Рис. 2. Сопоставление вычисленных 
(линии) и опытных (точки) значений 
относительной скорости воздушного 
потока за циркуляционными зонами:
а — единой; б — наветренной; в — подветренной; сечения: + - I; О — II;
— III;
_ —IV;

- V

(без образования циркуляционных 
зон), то параметр 
оказывается

равным нулю и формула (1)
по 

структуре становятся близкой известным в метеорологии формулам. Такой же вид формула (1) приобретает в другом предельном случае, когда вдоль застройки нет разрывов между циркуляционными зонами ( =1). При промежуточных значениях
формула ( 1 ) отличается 

от известных формул вторым слагаемым в фигурных скобках, учитывающим деформацию профилей скорости под влиянием зданий и сооружений.

В ряде работ [2—4] отмечается, 

что форма профиля скорости пограничного слоя может зависеть от 
интенсивности 
турбулентности 
и 

числа Рейнольдса потока (в том 
числе от скорости потока).

Влияние начальной турбулентно
сти потока на формирование профилей скорости проверяли экспериментальным путем. Опыты выполняли 
в
аэродинамической 
трубе 

ВЦНИИОТ, воздушный поток в которой до установки спрямляющей 
решетки имел интенсивность турбулентности 13%. Измерение профиля скорости у передней кромки рабочего стола показало, что пограничный слой потока сравнительно 
толст (толщина вытеснения 
= 

6 мм). После того как в коллекторе 
аэродинамической трубы была установлена спрямляющая решетка с 
размерами ячеек 10X10X60 мм, интенсивность 
турбулентности 
сни
зилась до 4% и пограничный 
слой стал тоньше (толщина вытеснения 
= 4,3 мм). Таким обра
зом, с увеличением турбулентности 
профили скорости становятся более 
пологими, что обусловливается передачей импульса потоку в нормальном к обтекаемой поверхности 
направлении. Вывод о влиянии начальной 
интенсивности 
турбулент
ности воздушного потока на форму 
профиля скорости находится в соответствии с выводами работы [4].

Интенсивность турбулентности в 

опытах 
измеряли 
диффузионным 

способом. Поперек воздушного потока в рабочей части аэродинамической трубы натягивали тонкую ни
45

Опытные значения

Опытные значения

Опытные значения

хромовую проволоку, нагревавшуюся 
с помощью электрического тока. В 
факеле тепла за проволокой измеряли профили температур, которые в невозмущенном потоке имели 
форму гауссовых кривых. На основании этих данных вычисляли интенсивность турбулентности следующим 
образом.

Уравнение 
кривой 
избыточных 

температур в поперечных сечениях 
факела можно записать в виде:

,

где
— избыточная темпера
тура на оси факела при =0, 

град;

—
расстояние от оси фа
кела в перпендикулярном ей направлении, м;

—
дисперсия, м2.

Из этого уравнения следует, что 

величину
можно 
определить
как 

полуширину профиля при 
=

= 0,607

При малых временах диффузии 

(на небольших расстояниях от источника тепла) на основании уравнения Д. Тейлора можно связать величину 
и 
интенсивность 
турбу
лентности :

где 
— расстояние от источника 

тепла до рассматриваемого сечения 
факела, м.

С увеличением скорости воздуш
ного потока скоростной профиль пограничного слоя становится более 
наполненным. Об этом можно судить 
по влиянию скорости на размеры 
циркуляционных 
зон. 
Чем 
более 

наполненным 
является 
профиль 

скорости (меньше
), тем большей 

должна быть длина циркуляционной 
зоны за препятствием. В работе [5] 
измеряли 
длину 
циркуляционной 

зоны за пластиной. Оказалось, что 
при увеличении скорости потока в 
аэродинамической трубе с 11,3 м/с 
до 20,2 м/с длина зоны увеличилась на 13%. Это свидетельствует 
об изменении формы скоростного 
профиля с увеличением скорости 
потока.

46

Влияние 
интенсивности 
турбу
лентности и скорости потока на 
форму скоростного профиля сравнительно невелико, и в практических 
расчетах им можно пренебречь.

Влияние 
строения 
пограничного 

слоя ветра на размеры циркуляционных зон проявляется следующим 
образом. При обтекании здания 
часть воздушного потока, сталкиваясь с наветренной стеной, отклоняется кверху и способствует отрыву пограничного слоя от крыши. 
Чем меньше толщина вытеснения 
по отношению к высоте здания 
(тоньше 
пограничный 
слой), 
тем 

больше количество движения потока, 
движущегося 
вертикально 
вверх 

вдоль наветренной стены, и тем интенсивнее его оттесняющее влияние 
на основной поток, следовательно, 
длиннее циркуляционная зона.

Расположенные перед рассматри
ваемым зданием какие-либо препятствия для ветра (зеленые насаждения, различные технологические сооружения, другие здания) 
резко деформируют поток и увеличивают толщину вытеснения, вследствие 
чего 
циркуляционные 
зоны 

уменьшаются, а в отдельных случаях крыши зданий оказываются 
полностью проветриваемыми.

Из изложенного выше следует 

практическое правило моделирования явлений обтекания ветром зданий. Для того чтобы в модели получить ту же картину течений, что 
и в натуре, необходимо выполнить, 
кроме прочих, следующее условие:

.

В специальных справочниках при
водятся обычно значения скорости 
ветра на высоте 10 м над поверхностью земли (на высоте флюгера). Вводя это значение скорости 
в формулу (1), получим

(2)

где 
и 
— выражение в

фигурных скобках формулы (1) 
при текущем значении 
и = 10 м со
ответственно.

С целью снижения трудоемкости 

вычислений, выполняемых по фор

Рис. 3. Номограмма для определения скорости ветра на заводских площад
ках, построенная при значениях параметра :

1 — 0 или 1; 2 — 0,025 или 0,975; 3 — 0,05 или 0,95; 4 — 0,1 или 0,9; 5 — 0,2 или 0,8; 6 — 0,3

или 0,7; 7 — 0,5

муле (2), разработана номограмма, представленная на рис. 3. При 
пользовании этой номограммой следует определить значения
и
при
=10 м, затем по

формуле (2) вычислить значение 
скорости в заданной точке пространства.

На основании формулы (2) ока
зывается 
возможным 
определить 

значение расчетной скорости ветра 
при вычислении концентраций примесей, создаваемых точечными выбросами. В качестве расчетной целесообразно принимать скорость на 
уровне, соответствующем эффективной высоте источника (сумме высоты трубы и начального возвышения

факела над ее устьем). Отсюда следует, что расчетная скорость для 
одновременно 
действующих 
источ
ников разной высоты будет различной.

В качестве примера определим 

скорость ветра на высоте устьев 
труб высотой 2 м и 7 м при следующ и х
ус л о в и я х :
= 5 м ;
= 0 , 5 ;

=2 м/с. На высоте 2 м скорость 

ветра равна 1,1 м/с, а на высоте 7 м — 1,7 м/с, то есть в 1,55 раза 
больше. Следует заметить, что 
при 
1 или 
0 различие между

этими скоростями будет еще больше.

За препятствием профиль скоро
сти ветра восстанавливается очень

47

медленно. Так, на расстоянии 20 Н 

скорость равна 80% от скорости набегающего потока.

Одновременно с изменением ско
ростного поля ветра изменяются поля 
интенсивности турбулентности и коэффициента диффузии. В турбулентном 
следе за зданием значение этих характеристик резко возрастает. Например, в 
циркуляционных зонах отдельно стоящих зданий интенсивность турбулентности 
/
u
u

 
достигает 60—70%, 

затем медленно убывает вниз по потоку пропорционально
(здесь
—

расстояние от конца циркуляционной 

зоны до рассматриваемого сечения потока). В вертикальных сечениях
сна
чала возрастает, затем медленно убывает до
набегающего потока на гра
нице следа.

В результате слияния турбулентных 

следов, возникающих за каждым зданием, на заводской площадке образуется внутренний пограничный слой, отличающийся высоким уровнем интенсивности турбулентности. Он простирается над промышленной площадкой от 
наветренной границы застройки под 
некоторым углом 
к горизонту.

Как отмечается в работе [2], в

таком слое динамическая турбулентность 
во 
много 
раз 
превышает

термическую 
(в 
пределах 
подслоя

динамической турбулентности),

вследствие чего в нем можно пре
небречь влиянием термических факторов. Отсюда следует, что в этом слое 
на распределение скорости и турбулентных характеристик ветра температурная стратификация атмосферы не 
оказывает влияния. В связи с этим в 
расчетах рассеяния примесей, выделяемых низкими источниками, стратификацию атмосферы допустимо считать 
нейтральной.

При обтекании здания почти вся 

энергия ветра, теряемая на преодоление сопротивления, переходит первоначально 
в 
энергию 
турбулентного 

движения. На основании этого факта 
среднюю величину интенсивности турбулентности ветра в циркуляционных 
зонах можно сопоставить с коэффициентом сопротивления

48

последнего или с пропорциональной 
ему длиной рассматриваемой циркуляционной зоны, а также с
набегающего потока:

, (3)

где
— длина единой, наветренной 

или подветренной циркуляционных 
зон, м; с — коэффициент пропорциональности, равный по данным экспериментальных исследований 0,05. 
В расчетах рассеяния примесей 
необходимо знать величину обобщенного коэффициента турбулентной диффузии . Зависимость, описывающую изменение этого коэффициента в пределах внутреннего 
пограничного слоя, определили опытным путем. Опыты заключались в 
измерении профилей температуры в 
факеле за источником тепла (нагретой проволокой), который располагали различным образом по отношению к моделям зданий. На рис. 4 в 
качестве примера приведены профили избыточных температур 
, отне
сенных к максимальным значениям
. Источник тепла в этом опы
те располагали за концом циркуляционной зоны на разной высоте (измерение температур осуществляли 
на расстоянии 50 мм от оси источника).

Коэффициент
определяли сле
дующим образом. Вычисляли общую площадь под кривой распределения избыточных температур. Затем вычисляли площадь под этой 
кривой в пределах от
=0 до теку
щего значения
и находили ее 

долю от общей площади. Получив 
таким образом кумулятивный ряд, 
в вероятностной сетке строили кривую распределения, указывающую 
на долю тепла, переносимого через 
участок факела единичной длины и 
высотой от 
=0 до данного значе
ния
. В связи с тем, что в возму
щенном зданиями потоке ветра распределение концентраций или температур не является
гауссовским, 

интегральная кривая в вероятностной сетке не выпрямляется. По углу наклона касательных к кривой, 
проведенных для нескольких участ
ков,

Рис. 4. Профили избыточных температур, измеренные в факеле на расстоянии 

50 мм от источника тепла, расположенного на высоте:

1 - 20 мм; 2 — 40 мм; 3 — 80 мм; 4 - 120 мм; 5 — 50 мм; 6 — 100 мм; 7 — 150 мм; 8—20 мм-9 — 50 мм; 
10 — 100 мм; 11 — 150 мм; а — узкое здание; б — источник тепла; в  — широкое здание

определяли значения стандартных 
отклонений
, затем по формуле 

вычисляли значения обоб
щенного коэффициента диффузии
. 

Таким способом возможно определить вертикальные распределения 
этого коэффициента.

К примеру, в средней области по
тока в рабочей части аэродинамической трубы коэффициент
равен 

0,025, а интенсивность турбулентности 
= 4% (при прямоточном ре
жиме работы трубы).

Путем обработки опытных дан
ных получили следующую зависимость для определения коэффициента

(4)

где
— обобщенный коэффициент 

диффузии набегающего потока;

4 Зак.   1048

— координаты, отнесенные

к высоте H здания; 
начало координат расположено в конце циркуляционной зоны;

— относительная высота

циркуляционной зоны, м;

— опытные коэффициенты.

Коэффициент
в формуле (4) 

определяли как отношение наибольшего значения
к длине соответ
ствующей 
циркуляционной 
зоны. 

Наилучшее соответствие с опытными данными получено при 
=0,01. 

Величину
определяли 
при

=0 и 
= 0,5 (в сечении, прохо
дящем через точку присоединения 
потока), 
чему 
соответствует 

наибольшее значение коэффициента 
При этих условиях 
=0,5. Ко
эффициент 
, характеризующий раз
мытость (ширину) профиля 
, ра
вен 0,7. Величина угла наклона границы возмущенной зданиями области потока равна 5—7° и среднее 
значение 
равно 0,1.

49

Входящая в формулу (4) вели
чина
равна: для единой зо
ны 
0,15
+H/2, подветренной 
—

?\Н, наветренной — 0,18 
(здесь

относительная длина единой циркуляционной зоны; 
—то же навет
ренной зоны).

Коэффициент
в заданной точке 

пространства следует вычислять 
как сумму квадратов частных значений этого коэффициента от каждой циркуляционной зоны, предшествующей рассматриваемому сечению потока

.

Следует заметить, что характер 

изменения коэффициента подобен 
характеру изменения в пространстве 
интенсивности 
турбулентности, 

умноженной на масштаб турбулентности.

Газообразные вещества в атмо
сфере промышленной площадки переносятся по траекториям, изгибающимся под влиянием обтекаемых 
ветром зданий и сооружений. Вследствие этого осевая линия факела, 
определяемая как геометрическое 
место точек с максимальной концентрацией вещества, оказывается изогнутой. Координаты этой линии могут 
быть вычислены по формуле, полученной путем обработки опытных 
данных:

(5)

где
— текущая координата оси фа
кела, м;

— эффективная высота ис
точника, отсчитываемая от уровня 
крыши или от нулевой линии тока, 
если основание источника находится в пределах циркуляционной 
зоны; 
— текущее значение 

толщины вытеснения, м; 
— тол
щина вытеснения в сечении потока, проходящем через ось трубы, 
м.
Толщина вытеснения
погранич
ных слоев за зданиями разной конфигурации может быть вычислена по 
формулам, приведенным в работе 
[6], или графикам работы [7].

На рис. 5 показаны результаты со
поставления вычисленных по формуле (5) координат оси факела с 
опытными данными, полученными в 
аэродинамической трубе на моделях. Условия экспериментов следующие. Линейный источник тепла, 
представляющий собою натянутую 
поперек потока раскаленную проволоку диаметром сечения 0,5 мм, 
был размещен перед моделью здания несколько выше уровня крыши. 
За этим источником измеряли профили избыточных температур. На 
рис. 5 показаны линия нулевых горизонтальных скоростей и граница 
единой циркуляционной зоны, а также осевая линия факела распространяющегося тепла, построенная 
по формуле (5). Толщина вытеснения пограничного слоя воздушного 
потока на рабочем столе до установки модели здания равнялась 
4,3 мм. Вычисленные значения тол
щины

Рис.  5. Сопоставление построенной в соответствии с формулой (5) осевой 

линии факела распространяющегося тепла с опытными данными:

/ — линейный источник тепла; 2 — модель здания размерами 25 мм x 25 мм x 500 мм;
3 — линия нулевых горизонтальных скоростей; 4 —. граница циркуляционной зоны; 5 
— осевая линия факела; 6 — измеренные профили избыточной температуры в факеле