Введение
ФГУП
“РОССИЙСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ
ЦЕНТР – ВНИИЭФ”
5
В. Н. Пискунов
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В АЭРОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ
Монография
Саров, 2004
Стр.2
6
Введение
В. Н. Пискунов
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В АЭРОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ
Монография
Стр.3
Введение
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
7
Стр.4
8
Введение
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
Стр.5
Введение
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
9
Стр.6
158
Список литературы
Cotton T. L. (1972). Numerical simulation of precipitation development
in supercooled cumuli. Part II // Mon. Wea. Rev. Vol. 100. P.
764–784.
Dovgalyuk Yu. A., Zatevakhin M. A., Stankova E. N. (1994). Numerical
simulation of a buoyant thermal using the k-ε turbulence
model // J. Applied Meteorology. 1994. Vol. 33, No 9. P. 1118–1126.
Dye J. E., et al. (1986). Early electrification and precipitation development
in a small, isolated Montana Cumulonimbus // J. Geophys.
Res. 1986. Vol. 91, No D1. P. 1231–1237.
Gardiner B., Lamb D., Pitter R. L., and Hallet J. (1985). Measurements
of initial potential gradient and particle Charges in a Montana
summer thunderstorm // I bid. 1985. Vol. 90, No D4. P. 6079–6086.
Gifford F. A. (1982).
Horizontal diffusion in the atmosphere:
A Lagrangian-dynamical theory // Atmos. Environment. 1982. Vol. 16,
No 3. P. 505.
Golubev A. I., Piskunov V. N., Ismailova N. A. (1999).
“AERFORM” code for numerical simulation of aerosol formation kinetics
// J. Aerosol Sci. 1999. Vol. 30. S231–S232.
Hanna S. R., Paine R. J. (1989). Hybrid plume dispersion model
(HPDM) development and evaluation // J. Applied Meteorology. 1989.
Vol. 28. P. 206–224.
Hidy J. M., and Brock J. R. (1970). The dynamics of aero-colloidal
systems. Oxford: Pergamon-Press, 1970.
Kharchenko A. I. (1997). Parametrization of dry deposition velocity
in the atmospheric surface layer // J. Aerosol Sci. 1997.
Vol. 28. Suppl. 1. P. 589.
Loyalka L. S. (1983). Mechanics of aerosol in nuclear reactor
safety: a review // Progress in Nuclear Energy. 1983. Vol. 12, No 1. P. 1.
Luna R. E., Church H. W., Shreve J. D. (1971). Variability of air
sampler data // Atmospheric Environment. 1971. Vol. 5. P. 579.
Mikhailov A. L., and Khizhnyakov V. V. (1998). Review of experimental
data on formation of aerosol pollution source at explosions.
Report on Agreement AV-7964 between RFNC-VNIIEF and SNL,
1998.
Mason B. J. (1957). The physics of clouds. Oxford: Clarendon
Press, 1957.
Стр.160
159
Mèszáros E. (1978). Present status of our knowledge on the atmospheric
condensation nuclei: Вопросы физики облаков. Л.: Гидрометеоиздат,
1978. С. 157–168.
Olesen H. R. (1995). The model validation exercise at MOL: Overview
of results // Int. J. Environment and Pollution. 1995. Vol. 5, No
46. P. 761.
Olesen H. R., and Mikkelsen T. (eds) (1992). Proceedings of the
workshop on objectives for next generation of practical short-range atmospheric
models. Riso, DCAR, Roskilde, Denmark, 1992.
Palmer T. Y., Northcutt L. I. (1975). Convective columns above
large experimental fires // Fire Technol. 1975. Vol. 11, No 2.
P. 111–118.
Pasquill F. (1975). Atmospheric difusion. N-Y. John Wiley and
Sons, 1975.
Penner J. E., Haselman L. C., Edwards L. L. (1985). Buoyant
plume calculations. Paper No 84-0459 for AIAA 23rd Aerospace Sciences
Meeting, Reno, Nevada, January 14–17, 1985.
Piskunov V. N., Aloyan A. E., Gerasimov V. M., et al. (1995a). Numerical
simulation of industrial and accidental release formation and
transport. Report LANL LA-SUB-94-175. Order No DE95011618, 1995.
Piskunov V. N., Statsenko V. P., Kharchenko A. I., et al. (1995b).
Mathematical simulation of atmospheric pollutants mesoscale transport
and transformation. The report of RFNC-VNIIEF on Phase 1 of ISTC
Project No 47, 1995.
Piskunov V. N. (1997). Coagulation kinetics of composite particles
// J. Aerosol Sci. 1997. Vol. 28. Suppl. 1. S647–S648.
Piskunov V. N., Golubev A. I., Goncharov E. A., and Ismai-lova
N. A. (1997а). Kinetic modeling of composite particles coagulation //
I bid. No 7. P. 12151231.
Piskunov V. N., Aloyan A. E., Marchuk G. I., et
al. (1997b).
Mathematical simulation of atmospheric pollutants mesoscale transport
and transformation. Final Project Technical Report of ISTC 047-95
(RFNC-VNIIEF, INM RAS), 1997.
Piskunov V. N., and Aloyan A. E. (2002). Mathematical simulation
of atmospheric pollutants mesoscale transport and transformation: kinetics
of aerosol formation in clouds. Final Project Technical Report of
ISTC 1078-99 (RFNC-VNIIEF, INM RAS), 2002.
Стр.161
160
Список литературы
Piskunov, V. N., and Petrov A. M. (2002). Condensation/ coagulation
kinetic for mixture of liquid and solid particles: analytical solutions
// J. Aerosol Sci. 2002. Vol. 33. P. 647–657.
Piskunov V. N., and Zatevakhin M. A. (2002). Numerical simulation
of aerosol particle formation kinetics in large fires // Abstracts of
Sixth international aerosol conference. September 9–13, 2002. Taipei,
Taiwan. Vol. 1. P. 487 – 488.
Piskunov V. N., Petrov A. M., Golubev A. I. (2003). Modeling particle
formation kinetics in mixed-phase clouds // J. Aerosol Sci. 2003.
Vol. 34. P. 1555–1580.
Pruppacher H. R., and Klett J. D. (1997). Microphysics of cloud
and precipitation. Dordrecht: Kluwer Academic Press. 1997.
Rogers R. R. (1978). A short course in cloud physics Oxford: Pergamon
Press, 1978.
Sehmel G. A. (1970). Particle deposition from turbulent
air
flow // J. Geoph. Res. 1970. Vol. 75, No. 9. P. 1766.
Shiino J. (1978). A numerical study of precipitation deve-lopment
in cumulus clouds // Papers in Meteorology and Geophysics. 1978. Vol.
29, No. 4. P. 157–194.
Silk J., and White S.D. (1978). The development of structure in the
expanding universe // Astroph. Journ. 1978. Vol. 223. P. L59.
Simons S. (1981). The coagulation and deposition of radio-active
aerosols // Annals of Nuclear Energy. 1981. Vol. 8. P. 287294.
Smoluchowsky M. (1916). Drei Vortrage uber Diffusion,
Brounische Bewegung und Koagulation von Kolloidteilchen // Phys.
Zeits. 1916. Bd. 17. S. 577.
Snegirev A. Yu., Makhviladze G. M., Roberts J. P. (2001). The effect
of particle coagulation and fractal structure on the optical properties
and detection of smoke // Fire Safety Journal. 2001. Vol. 36. P. 73–95.
Stewart K. (1956). The condensation of a vapour to an assembly of
droplets or particles // Trans. Far. Soc. 1956. Vol.
52.
Part 2. P. 161–172.
Waldman G. D., Reinecke W. G., Glenn D. C. (1972). Raindrop
breakup in the shock layer of a high-speed vehicle // AIAA Journal.
1972. Vol. 10. No 9. P. 1200.
Стр.162
161
Warner J. (1973). The
Microstructure of cumulus cloud:
Part IV. The effect on the droplet spectrum of mixing between cloud
and environment // J. of Atm. Sci. 1973. Vol. 30. P. 256–261.
Willis P. T., and Hallett J. (1991). Microphysical measure-ments
from an aircraft ascending with a growing isolated maritime cumulus
tower // J. of Atm. Sci.1991. Vol. 48, No 2. P. 283–300.
Yamada T., Williams M., Stone G. (1989). Chemical downwind
hazard modeling study // LA-UR-89-1061.
Стр.163
162
Список литературы
Пискунов Владимир Николаевич
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В АЭРОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ
Монография
Редактор Л. В. Мазан
Корректор Н. Ю. Костюничева
Компьютерная подготовка оригинала-макета В. М. Князькова
_______________________________________________________________
Подписано в печать
24.05.2004. Формат 60×90/16
Печать офсетная. Усл. печ. л. ~10. Уч. изд. л. ~9
Тираж 150 экз. Зак. тип. 945-2004
_______________________________________________________________
Отпечатано в Издательско-полиграфическом комплексе
ФГУП “РФЯЦ-ВНИИЭФ”
607190, г. Саров Нижегородской обл.
Стр.164