Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Моделирование динамических процессов в аэродисперсных системах

Покупка
Артикул: 680667.01.99
Доступ онлайн
300 ₽
В корзину
Монография посвящена теоретическим методам моделиро- вания динамических процессов в аэродисперсных системах. Рассмотрены общие свойства дисперсных систем, сформулиро- ваны кинетические уравнения для процессов конденсации и коагуляции. Приведены основные характеристики программы AERFORM, разработанной во ВНИИЭФ для численного моде- лирования кинетики формирования аэрозолей. Описана модель кинетики конденсации и коагуляции в системах с двухфазной дисперсной средой. Приведены результаты численного модели- рования кинетики формирования осадков в облаках для двух полномасштабных экспериментов. Приведены методические подходы к прогнозу последствий аварий и некоторые итоги работ ВНИИЭФ по эксперименталь- ному моделированию аварийных ситуаций. Описана прикладная программа ПРОГНОЗ, разработанная во ВНИИЭФ для расчета процессов атмосферного переноса и прогноза последствий ава- рий. Приведены результаты моделирования процессов формиро- вания частиц в различных аварийных выбросах. Материал может использоваться при разработке численных моделей и методов, а также для анализа и решения конкретных проблем в области экологии и безопасности. Для студентов и аспирантов вузов, а также для специали- стов, работающих в области безопасности и экологии, механики двухфазных сред, физики атмосферы.
Пискунов, В. Н. Моделирование динамических процессов в аэродисперсных системах: Монография / Пискунов В.Н. - Саров:ФГУП"РФЯЦ-ВНИИЭФ", 2004. - 162 с.: ISBN 5-9515-0039-7. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/951030 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Введение 
 
5 

ФГУП 
“РОССИЙСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ 
ЦЕНТР – ВНИИЭФ” 
 

 
 
В. Н. Пискунов 
 

 
МОДЕЛИРОВАНИЕ 

ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 

В АЭРОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ 
 

Монография 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Саров, 2004 

 

Введение 
 
6 

 
 
 
 
В. Н. Пискунов 
 

 
МОДЕЛИРОВАНИЕ 

ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 

В АЭРОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ 
 

Монография 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

Введение 
 
7 

ББК  22.253.312+24.632 
         П34 
УДК 532.529+541.182.2/3 
 
Пискунов В. Н. 
Моделирование динамических процессов в аэродисперсных системах. 
Монография. – Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2004. – 162 с.: ил. 
 
ISBN 5-9515-0039-7 
 
 
Монография посвящена теоретическим методам моделирования динамических процессов в аэродисперсных системах. 
Рассмотрены общие свойства дисперсных систем, сформулированы кинетические уравнения для процессов конденсации и 
коагуляции. Приведены основные характеристики программы 
AERFORM, разработанной во ВНИИЭФ для численного моделирования кинетики формирования аэрозолей. Описана модель 
кинетики конденсации и коагуляции в системах с двухфазной 
дисперсной средой. Приведены результаты численного моделирования кинетики формирования осадков в облаках для двух 
полномасштабных экспериментов.  
Приведены методические подходы к прогнозу последствий 
аварий и некоторые итоги работ ВНИИЭФ по экспериментальному моделированию аварийных ситуаций. Описана прикладная 
программа ПРОГНОЗ, разработанная во ВНИИЭФ для расчета 
процессов атмосферного переноса и прогноза последствий аварий. Приведены результаты моделирования процессов формирования частиц в различных аварийных выбросах. 
Материал может использоваться при разработке численных 
моделей и методов, а также для анализа и решения конкретных 
проблем в области экологии и безопасности. 
Для студентов и аспирантов вузов, а также для специалистов, работающих в области безопасности и экологии, механики 
двухфазных сред, физики атмосферы. 
 
 
Рецензент, доктор физ.-мат. наук А. И. Голубев 
 
 
ISBN 5-9515-0039-7                               © ФГУП “Российский федеральный 
                                                                     ядерный центр – ВНИИЭФ”, 2004 

 

Введение 
 
8 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
5 

1. МЕХАНИКА АЭРОЗОЛЕЙ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
11 
1.1. Атмосферные  аэрозоли  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
11 
1.2. Основные характеристики частиц дисперсной фазы  . . . . .  
16 
1.3. Движение частиц в среде-носителе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
21 
1.4. Броуновская диффузия аэрозолей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
27 
1.5. Диффузия и перенос аэрозолей в атмосфере . . . . . . . . . . . . 
32 

2. КИНЕТИКА ПРОЦЕССОВ КОНДЕНСАЦИИ 
И КОАГУЛЯЦИИ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
37 
2.1. Конденсация и испарение капель  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
37 
2.2. Коагуляция аэрозолей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
46 
2.3. Кинетические уравнения конденсации и коагуляции . . . . . 
51 
2.4. Задачи к разделам 1, 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
55 

3. ЧИСЛЕННЫЕ МОДЕЛИ КИНЕТИКИ ФОРМИРОВАНИЯ 
ЧАСТИЦ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
58 
3.1. Скорость процессов коагуляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
58 
3.2. Коагуляция композитных частиц  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
63 
3.3. Моделирование кинетики формирования аэрозолей  
        с помощью программы AERFORM  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
67 
3.4. Формирование частиц в системах с двухфазной  
        дисперсной средой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
70 

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ ФОРМИРОВАНИЯ  
ОСАДКОВ В ОБЛАКАХ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
76 
4.1. Выбор облачных экспериментов для моделирования . . . . . 
77 
4.2. Сыктывкарский эксперимент и результаты 
        моделирования  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
81 
4.3. Эксперимент “Монтана” и результаты расчетов . . . . . . . . .  
91 

5. ЭКОЛОГИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ И ПРОБЛЕМА  
ПРОГНОЗИРОВАНИЯ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 
5.1. Сочетание экспериментального и теоретического 
        подходов в проблеме прогнозирования . . . . . . . . . . . . . . . . 101 
5.2. Диффузионные эксперименты ВНИИЭФ . . . . . . . . . . . . . . . 107 
5.3. Общая картина аварийного взрыва . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 

 

Введение 
 
9 

6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ ВЫБРОСОВ  
И ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА АЭРОЗОЛЕЙ В АТМОСФЕРЕ . . . . . 120 
6.1. Модели источников выбросов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  121 
6.2. Моделирование процессов переноса примесей  
        в атмосфере с помощью программы ПРОГНОЗ . . . . . . . . . 122 
6.3. Результаты численного моделирования некоторых 
       аварийных процессов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 
 

 

Введение 
 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
 

Но неуемный разум разложил 
И этот мир, 
Построенный на ощупь 
Вникающим и мерящим перстом. 
Все относительно: 
И бред и знанье. 
Срок жизни истин – 
Двадцать-тридцать лет – 
Предельный возраст водовозной клячи. 
Мы ищем лишь удобства вычислений, 
А в сущности, не знаем ничего. 
 
    М. Волошин. Путями Каина. Космос 

 
В связи с большой распространенностью, широким практическим применением и своеобразием свойств все большее внимание 
исследователей в различных областях физики атмосферы, науки об 
окружающей среде, техники и фундаментальной науки привлекают 
в последнее время дисперсные системы, то есть системы, представляющие собой механическую смесь частиц дисперсной фазы со 
средой-носителем. Образование облаков и выпадение осадков 
(Мейсон, 1961; Мазин, Шметер, 1983), формирование аэрозольной 
компоненты земной атмосферы (Юнге, 1965), эволюция допланетного роя и частиц межзвездной пыли (Сафронов, 1969; Кейдл, 
1969; Silk and White, 1978), миграция дефектов в твердых телах 
(Гегузин, Кривоглаз, 1971; Слезов, Сагалович, 1987), двухфазные 
течения в физических и промышленных установках (Левич, 1959; 
Райст, 1987), перенос в атмосфере различного рода промышленных 
и радиоактивных загрязнений (Юнге, 1965; Стыро, 1968; Грин, 
Лейн, 1972; Кароль, 1972) – вот далеко не полный круг явлений, в 
которых решающую роль играют процессы, происходящие с дисперсными системами. 
Обычно дисперсные системы подразделяют, исходя из агрегатного состояния частиц дисперсной фазы и среды-носителя. Ряд 

 

Введение 
 
6 

дисперсных систем получил отдельные названия: аэрозоли (взвесь 
твердых или жидких частиц в газовой среде, обычно в воздухе) 
(Грин, Лейн, 1972; Райст, 1987; Пискунов, 1991); эмульсии (жидкие 
частицы, обычно стабилизированные защитными оболочками, в 
жидкой среде) и коллоиды (взвесь твердых частиц в жидкой среде) 
(Фролов, 1989); астрозоли (твердые или жидкие частицы в вакууме) (Silk and White, 1978; Лушников, Токарь, 1978; Петрянов-Соколов, Сутугин, 1989). Кроме того, существуют дисперсные системы 
без устоявшихся названий: ансамбли газовых пузырьков в твердом 
теле или жидкости, ансамбли жидких капель в твердом теле и т. д. 
Дисперсные системы обладают многими необычными физическими свойствами, которые требуют отдельного изучения и сказываются на практике. Можно назвать своеобразную газодинамику, 
обусловленную различным движением среды-носителя и частиц 
дисперсной фазы; необычные оптические свойства, вызванные 
сравнимостью размеров частиц с длинами волн света и влиянием 
формы частиц; повышенную способность к взаимодействиям, вызванную чрезвычайно развитой поверхностью частиц. Особое место среди дисперсных систем занимают аэрозоли, о которых в основном и будет идти речь в дальнейшем. 
Аэрозольные загрязнения наиболее динамичны и представляют 
собой непосредственную угрозу здоровью населения и окружающей среде. В связи с этим задачи по оценке последствий и защите 
от техногенных катастроф и аварий, пожаров и стихийных бедствий всегда стоят очень остро. Для предприятий атомной отрасли 
актуальны проблемы постоянного мониторинга и контроля за потенциально опасными объектами, а также вопросы анализа последствий гипотетических аварий. По своей сути все перечисленные 
задачи являются интернациональными и в них заинтересовано все 
международное сообщество, поскольку интернациональна сама 
проблема аэрозольного трансграничного переноса. Осознание важности экологических проблем, связанных с влиянием жизнедеятельности человека на атмосферу и гидросферу Земли, является 
одним из наиболее серьезных стимулов к изучению процессов, 
управляющих поведением дисперсных систем в целом и аэрозолей 
в частности.  
Экология и безопасность – далеко не все области, где имеют 
дело с дисперсными системами. Можно назвать массу природных 

Введение 
 
7 

объектов и множество технологических процессов, которые связаны с положительным присутствием и применением аэрозолей: атмосферные осадки; двухфазные течения, используемые в технологических процессах и установках; дисперсные среды для нужд пищевой промышленности, медицины и сельского хозяйства. Разнообразие физических проблем и технических приложений, а также 
совокупность необычных физических и химических свойств фактически позволяют отнести дисперсные системы к отдельному агрегатному состоянию вещества, заслуженное внимание которому 
стало уделяться лишь в последнее время. 
Большую перспективу в ближайшем будущем представляет 
собой применение новых видов дисперсных систем: ультрадисперсных (нано-) материалов. В атомной отрасли они производятся 
в виде ультрадисперсных порошков с 50-х годов. В последнее время открыты стабильные (не агломерирующие) наноструктуры углерода: в 1985 году – фуллерены и в 1991 году – нанотрубки. Использование наноматериалов сулит гигантские перспективы в наноэлектронике, наномеханике и нанотехнологиях в целом. Они обладают принципиально новыми свойствами (физическими, химическими, биологическими) и большим потенциалом практического 
применения. Так, например, сверхпроводимость, сегнетоэлектрические, эмиссионные, магнитные свойства нанокластеров и нанопленок делают их перспективными для создания элементов, используемых в микроэлектронике. Нелинейные оптические характеристики наноматериалов открывают возможность их использования в 
устройствах нелинейной оптики. Комплекс уникальных механических характеристик этих материалов открывает перспективу их 
применения в материаловедении. Особые химические свойства таких структур обуславливают возможность синтеза большого количества новых соединений. Крайне перспективно использование наноматериалов в области энергетики, экологии, химической технологии, медицины, фармакологии. Работы по наноматериалам только разворачиваются, и мы надеемся, что их результаты в ближайшее время послужат темой специальных курсов лекций. 
Очень важной причиной возрастающего интереса к дисперсным системам как среди физиков-профессионалов, так и студентов-аспирантов технических специальностей являются разнообразие 
и фундаментальный характер задач, которые возникают в этой об
Введение 
 
8 

ласти. Физическая кинетика, оптика, физика атмосферы, многофазная газодинамика, теория турбулентности – все эти разделы механики и физики необходимо применять при создании теоретических 
моделей, описывающих поведение аэродисперсных систем.  
Значительный прогресс в моделировании процессов формирования и динамики переноса аэрозольных примесей достигнут в последнее время благодаря разработке сложных многофакторных 
теоретических моделей и их реализации на быстродействующих 
ЭВМ. По сути дела, физика аэрозолей становится одним из разделов теоретической и математической физики, что в свою очередь 
требует более высокого уровня подготовки для работы в этой области. С другой стороны, реализация на ЭВМ теоретических и численных моделей, включающих в себя все многообразие кинетических процессов в аэродисперсных системах и позволяющих одновременно описывать сложную динамику течений, дает возможность производить моделирование на уровне сложного численного 
эксперимента. Это усиливает прикладной аспект разработок и переводит их в инженерную плоскость, причем потребность в результатах моделирования ряда процессов, важных для экологии и безопасности, постоянно растет. 
Материал книги условно можно разбить на две части. В разделах 1, 2 изложены основные сведения, которые помогут сориентироваться в разнообразных практических проблемах физики дисперсных систем и позволят оценить количественные характеристики протекающих процессов. Содержание этих разделов является 
исправленным и дополненным вариантом курса лекций (Пискунов, 
1999) и первой главы книги (Пискунов, 2000); его можно рекомендовать в качестве общеобразовательного односеместрового курса 
по физике дисперсных систем для студентов технических специальностей. 
В разделе 1 содержатся вводный материал и данные по механике аэрозолей. Приведена классификация атмосферных аэрозолей, 
описаны процессы, в которых они возникают или играют важную 
роль. Изложены основные количественные характеристики частиц, 
которые получают в результате измерений, а также используют при 
описании дисперсных систем. Рассмотрены кинематика движения 
частиц в среде-носителе, седиментация и процессы дробления под 
действием скоростного напора. Дальнейший материал посвящен 

Введение 
 
9 

процессам броуновской диффузии частиц и эффектам осаждения 
при ламинарном течении дисперсных сред в каналах. В конце раздела рассмотрены диффузия и перенос аэрозолей в атмосферных 
условиях, сделаны некоторые оценки для развития облака взрыва. 
В разделе 2 изложены основные закономерности процессов 
формирования частиц дисперсной фазы. Рассмотрены процессы 
зарождения, а также конденсационного роста и испарения частиц. 
Сделаны оценки влияния процессов коагуляции на формирующиеся спектры частиц. Описана формулировка кинетических уравнений конденсации и коагуляции. Для лучшего усвоения материал 
разделов 1, 2 проиллюстрирован задачами, помогающими приобрести практические навыки. 
Вторая часть книги (разделы 3–6) предназначена для специалистов, занимающихся созданием численных программ и моделированием конкретных динамических процессов в аэродисперсных 
системах, например, расчетами процессов формирования осадков в 
облаках и моделированием аварийных процессов. 
В разделах 3–6 описаны теоретические и численные модели, 
разработанные с участием автора для описания динамических процессов в аэродисперсных системах, и приведены результаты моделирования для целого ряда задач кинетики формирования осадков 
в облаках и процессов формирования частиц в различных аварийных выбросах. Этот материал может использоваться при разработке численных моделей и методов, а также для анализа и решения 
конкретных проблем в области экологии и безопасности. 
В разделе 3 приведены основные характеристики программы 
AERFORM, разработанной во ВНИИЭФ и предназначенной для 
численного моделирования кинетики формирования аэрозолей. 
Описана также модель кинетики конденсации и коагуляции в системах с двухфазной дисперсной средой, которая разработана для 
моделирования кинетики формирования осадков в смешанных облаках. Постановка расчетов и результаты моделирования для двух 
крупных облачных экспериментов описаны в разделе 4. 
Методические подходы к прогнозу последствий аварий и некоторые итоги работ ВНИИЭФ по экспериментальному моделированию аварийных ситуаций приведены в разделе 5. В разделе 6 приведены модели, используемые для описания источников промышленных и аварийных выбросов, а также модели процессов переноса 

Введение 
 
10

аэрозольных частиц в атмосферных течениях. Описана прикладная 
программа ПРОГНОЗ, разработанная во ВНИИЭФ для расчета 
процессов переноса и прогноза последствий аварий. Описаны результаты численного моделирования для некоторых аварийных 
процессов. 
Автор выражает благодарность своим коллегам А. И. Голубеву, М. А. Затевахину, А. М. Петрову, А. Е. Алояну, А. И. Харченко, Н. В. Иванову, без постоянного сотрудничества и обсуждения с которыми выход данной монографии был бы невозможен. 
 

Доступ онлайн
300 ₽
В корзину