Критерии использования модели тяжелого газа

⇐ ПредыдущаяСтр 13 из 19Следующая ⇒

Модель тяжелого газа ALOHA предназначена для учета гравитационного воздействия на загрязняющие облака с плотностями, существенно отличными от воздуха. Гравитационные эффекты могут быть незначительными для плотных загрязнителей, если в дисперсии преобладает ветер или тепловая конвекция в атмосфере, или испаряющий поток из бассейна невелик. Модель Тяжелый газ по-прежнему может использоваться с этими облаками, но предпочтительной является Гауссова модель. Гауссова модель также рекомендуется, когда облако загрязнителя менее плотно, чем воздух.

В своем режиме по умолчанию ALOHA использует алгоритм выбора между моделями Тяжелый газ и Гаусса. ALOHA использует критическое число Ричардсона (также называемое числом трения Ричардсона), Ri_c, как критерий для различения пассивной или непассивной дисперсии. Когда Ri_c меньше 1, ALOHA считает, что газ является пассивным, и если пользователь не отменяет это решение, ALOHA вычисляет дисперсию, используя модель дисперсии Гаусса (Спайсер and Хевенс 1989).

Критическое число Ричардсона зависит от плотности загрязняющего вещества, скорости ветра и скорости высвобождения,

где пониженная сила тяжести

ρ – плотность химического вещества,

ρ_а – плотность окружающего воздуха,

g – ускорение силы тяжести,

U_* – скорость трения ветра,

Н– характерный размер источника.

Для мгновенных выбросов Н – характерная высота источника,

где V₀ – объем выпуска, A₀ – площадь источника.

Для источников разлива, характерная высота источника связана со скоростью высвобождения и диаметром разлива и определяется с использованием

где

E – скорость испарения массы (кг с^-1),

D – диаметр разлива,

U₁₀ –скорость ветра на 10 метрах.

Для непрерывных или полунепрерывных источников, отличных от источника разлива, характерный размер

Концептуальная модель

Хевенс и Спайсер (Хевенс и Спайсер 1985) описали три этапа выделения тяжелого газа. Это концептуальная модель используется в DEGADIS и ALOHA-DEGADIS.

1. Дисперсия плавучести. Вблизи точки выброса силы плавучести, силы инерции и движения окружающего воздуха влияют на развитие облаков. Сразу же после выпуска, тяжелое облако «падает» на землю. Быстрораспространяющееся облако действует под атмосферным пограничным слоем. При этом сдвиг на земле и вверху облака создает вихревое кольцо на переднем крае облака (Бриттер 1989). Во время этого первоначального распространения облако расходует примерно 10 часть своей первоначальной массы в окружающий воздух. То есть, коэффициент плотности уменьшается в 10 раз. К концу этого этапа сформировался тонкий слой газа. Этот слой представляет собой вторичный источник.

Фаза плавучести развивается через три пересекающихся подэтапа:

а. во время фазы спада, которая длится всего несколько секунд, сильные, зависящие от плавучести силы расширения уравновешиваются противотоком окружающей жидкости;

б. во время плавуче-инерционной фазы силы расширения плавучести уравновешиваются инерционными силами. Концентрации в облаке сильно размываются, так как распространяющаяся «голова» облака захватывает окружающую жидкость;

в. во время вязкой фазы силы плавучести уравновешиваются вязкими силами. Турбулентное перемешивание подавляется, и скорость разбавления замедляется.

2. Стабильно стратифицированный сдвиговый поток. В этой области, силы плавучести и окружающий воздушный поток определяют развитие облаков, действуя таким образом, чтобы образовывать стабильно стратифицированное облако, залегающее в среднем ветровом потоке. Облако остается тонким и распространяется с боков, с подветренной стороны. Стабильный профиль плотности в облаке подавляет турбулентность, турбулентные колебания в облаке – характерно ниже уровня окружающей среды. Воздух захватывается в распространяющееся облако, прежде всего через его вершину, а также вдоль его краев.

3. Пассивная турбулентная дисперсия. Облако продолжает разбавляться до тех пор, пока его плотность не будет немного превышать плотность воздуха. Небольшая оставшаяся разница в плотности лишь незначительно влияет на дисперсию облаков, и естественные уровни возвратности турбулентности. Газ становится пассивным загрязнителем.

Вторичный источник в ALOHA

ALOHA явно не моделирует дисперсию с преобладанием плавучести, которая приводит к образованию «одеяла» тяжелого газа, также называемого вторичным источником. Вместо этого он использует упрощенный метод для оценки общих размеров.

Четыре типа источников описаны в главе 2: прямой выпуск, выпуск из оборудования, выпуск из трубопровода и испаряющийся разлив. Для моделирования тяжелых газов они называются первичными источниками. Первичный источник, как правило, зависит от времени и рассматривается как серия из пяти конечных стационарных источников.

Модель тяжелого газа в основном является стационарной моделью шлейфа, в то время как первичные источники, как правило, зависят от времени. Чтобы рассматривать временную зависимость шлейфа, ALOHA генерирует стационарные шлейфы на основе пяти временных шагов Первичного источника, рассматривая его как независимый от времени стационарный источник. Зависимость от времени вводится позже путем объединения независимых от времени шлейфов.

Фаза плавучести высвобождения тяжелого газа создает «одеяло» плотного газа, который сосредоточен на местоположении Первичного источника и не движется с потоком окружающего воздуха. Первичный источник подает это одеяло с постоянной скоростью, в то время как поглощение и транспортировка газа из верхней части удаляет газ из одеяла. Скорость поглощения атмосферы пропорциональна площади одеяла, поэтому одеяло достигает своего устойчивого размера, когда скорость поглощения атмосферы равна первичному источнику. Одеяло считается круглым.

Большинство первичных источников в ALOHA являются точечными источниками; однако, испаряющийся разлив имеет определенную площадь. Если площадь испаряющегося разлива больше, чем стационарная область тяжелого газового одеяла, площадь одеяла устанавливается равной площади разлива.

Общая масса развивающегося одеяла равна:

где

A(t) – площадь одеяла,

H_b(t) – высота одеяла

ρ(t) – общая средняя плотность одеяла.

M_b(t), A(t), H_b(t), ρ(t) являются неизвестными.

Скорость изменения массы одеяла зависит от увеличения воздуха и загрязняющих веществ в облаке,

где

E(t) – скорость выделения загрязнений из Первичного источника (кг с^-1),

w_c_,_p(t) – массовая доля примесей в первичном источнике,

Q_a(t) – скорость увеличения воздуха над одеялом (кг с^-1),

Q_*Max(t) – максимальный поток массы в воздух из одеяла (кгс^-1 м^-2),

w_c(t) – массовая доля загрязнителя в развивающемся облаке.

Q_a(t), Q_*Max(t), w_c(t) – неизвестные.

Условия E(t) и w_c_,_p(t) зависят от первичного источника и предоставляются в качестве внешних параметров.

На заключительных этапах развивающегося облака (влажное), увлечение воздухом происходит главным образом через верх, и его скорость определяется по формуле: