МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ПРИМЕСИ В НИЖНЕМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ, СВЯЗАННЫХ С ВЫБРОСАМИ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ ПРИ АНОМАЛЬНОМ ТЕМПЕРАТУРНОМ НАГРЕВЕ

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2010. Вып. 4
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 551.509.313.1+551.511

В.А. Шкляев, К.Г. Шварц

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ПРИМЕСИ В НИЖНЕМ СЛОЕ 
АТМОСФЕРЫ, СВЯЗАННЫХ С ВЫБРОСАМИ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ 
ПРИ АНОМАЛЬНОМ ТЕМПЕРАТУРНОМ НАГРЕВЕ

Представлены результаты численных расчетов, полученных на основе выведенной квазидвумерной модели распространения примеси от мощного теплового источника (на примере возгорания нефти) с учетом неоднородности 
турбулентной диффузии над источником и вне его. Расчеты показали, что в результате линейного и нелинейного 
взаимодействия неоднородного горизонтального градиента температуры в области воздействия теплового факела 
в нижней атмосфере формируется мощное вихревое движение над местом возгорания нефти. Формируемое поле 
ветра может существенно изменять характер распространения примеси в окрестности источника.

Ключевые слова: диффузия примеси, горизонтальные температурные градиенты, вихревые структуры.

Значительное число техногенных катастроф, имеющих экологические последствия, сопровож
дается поступлением в атмосферу загрязняющих веществ. При возгорании разлитой нефти процессы 
последующего распространения примеси могут быть осложнены мощным нагревом от источника тепла. В результате интенсивного нагрева атмосферы над его источником формируется система восходящих и нисходящих движений, которая вносит возмущение в поле горизонтального движения. Формируемая конвективная струя играет роль препятствия, и процессы его обтекания будут подобны обтеканию стержня в горизонтальном потоке. Ниже по течению после препятствия образуется система 
вихрей (вихревая дорожка). В горизонтальной плоскости при обтекании сформировавшейся конвективной струи формируются локальные вихревые структуры, создающие своеобразный режим переноса выделяющихся вредных примесей в нижнем слое атмосферы [2; 4]. Для оценки возможного 
ущерба, наносимого компонентам природной среды, и определения зон воздействия при аварийных 
ситуациях, а также для уточнения размеров санитарно-защитных зон объектов нефтедобычи, необходимо исследовать условия, нарушающие стационарное распространение вредных веществ при различных вариантах функционирования источника выбросов и состояниях атмосферы. Проводимые с 
этой целью расчеты должны основываться на системе уравнений глубокой конвекции [3; 8]. Подобные системы использовались для исследования процессов развития конвективного облака, для оценки вертикальных потоков различных субстанций и для моделирования конвективных облаков в целях
искусственных воздействий на них [1; 5-8]. В нашем случае определенный интерес представляет распространение вредных примесей от конвективной струи, поэтому система уравнений гидротермодинамики дополнялась уравнением турбулентной диффузии примеси. Источник тепла зависит от количества разлившихся горящих нефтепродуктов и может быть достаточно мощным. Факел горения может подниматься на высоту десятков и сотен метров и в этом случае тепловой источник может рассматриваться как высотный. Большая температура горения и значительные размеры факела требуют 
оценки радиационного излучения.

В случае сухой атмосферы можно не учитывать процессы фазовых переходов. Используемая 

система уравнений, а также вывод модели приведен в работе [4]. Учитывая высокую температуру 
горения, мы дополнительно определяли радиационный поток тепла. Он рассчитывался в соответствии с законом Стефана-Больцмана.

Граничные условия задаются отдельно для источника горячей примеси и вне его. Количество 

выделяемого тепла при горении нефти оценивалось по количеству разлитой нефти в пределах области обваловки. Вне источника стратификация атмосферы считалась устойчивой, а над источником определялась условиями конвекции. 

Необходимые для расчетов параметры были определены в соответствии с выбранной мощно
стью источника тепла и известным состоянием атмосферы. Высота пограничного слоя принималась 
равной 300 м; коэффициент горизонтальной турбулентной диффузии вне источника – 200 м2/с, над 
источником – 500 м2/с; другие параметры приведены дополнительно в таблице.