Введение 3 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования. Анализ существующего положения физики

Введение
3 ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Анализ существующего положения физики
образования и развития туманов и низких слоистых облаков в естественных условиях и
при активном воздействии (АВ) с целью их рассеяния показывает, что в этой области
имеется ряд нерешенных вопросов, которые требуют проведения дальнейших
экспериментальных и теоретических исследований. В современных условиях роль
численного моделирования в исследовании различных проблем физики туманов и облаков
остается актуальной.
Создание более эффективных методов АВ на туманы требует исследования их
образования и развития в естественных условиях и при активном воздействии. В связи с
этим разработка методов математических расчетов и их применение для исследования
изменения во времени концентрации частиц, водности и метеорологической дальности
видимости (МДВ) в теплых и переохлажденных туманах при АВ на них, являются
актуальными задачами.
Математическое моделирование является важным инструментом исследования АВ на
туманы при различных метеорологических условиях и их микрофизических параметрах.
Использование методов математического моделирования позволяет учитывать роль
отдельных параметров исследуемого процесса, изучать его характеристики в тех случаях,
когда проведение натурных экспериментов затруднено или невозможно, а также
моделировать методы АВ и оценивать их эффективность.
Целью работы является численное моделирование активного воздействия на теплые и
переохлажденные туманы различными средствами на основе детальных физикоматематических моделей для усовершенствования применяемых технологий АВ и
разработки новых средств воздействия.
Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:
4
- разработка моделей АВ, алгоритмов расчета и их реализация на ЭВМ;
- проведение численных экспериментов по рассеянию теплых туманов искусственными
каплями воды различной дисперсности и концентрации;
- исследование АВ на туман тепловым и динамическим методами;
- моделирование АВ на переохлажденные туманы кристаллизующим реагентом;
- разработка рекомендаций по усовершенствованию методов АВ на теплые и
переохлажденные туманы.
Научная новизна работы. В работе впервые получены следующие результаты:
- исследовано взаимодействие искусственных капель воды с каплями
о
тумана и получено, что АВ на теплый туман с концентрацией капель 9-10 м"3 и
радиусами 1-16 мкм неэффективно для искусственных капель радиусом 300 мкм,
частично эффективно для 600 и 1000 мкм капель, эффективно для 1800 мкм капель при
концентрациях 103 - 104 м"3;
- проведено исследование АВ на туман тепловым методом и получено, что применение
водорода вместо керосина позволит повысить эффективность и экологичность этого
метода;
- при исследовании АВ на туман динамическим методом получено, что для рассеяния
мощных туманов необходимо применение устройств большой производительности т„ (не
менее 12000 м3/мин);
- при АВ на переохлажденный туман искусственными ледяными кристаллами определены
время его рассеяния, конечный радиус ледяных кристаллов и МДВ в зависимости от
концентрации искусственных кристаллов;
- на основе численных расчетов разработаны рекомендации по усовершенствованию
различных методов рассеяния теплых и переохлажденных туманов и разработке новых
средств.
.5
Научная и практическая ценность. В диссертационной работе проведен комплекс
теоретических исследований по проблеме рассеивания теплых и переохлажденных
туманов с применением экологически чистых веществ, таких как вода, водород, жидкий
азот и т.д. Полученные результаты при численном моделировании представляют интерес с
точки зрения усовершенствования способов АВ на облака и туманы. В частности, при
выборе составов реагентов для получения частиц с необходимыми размерами и
концентрацией и др. Результаты расчетов необходимы для совершенствования технологий
рассеяния туманов в аэро- и морских портах, на космодромах, автодорогах, лыжных
трассах, для осаждения пыли, образующейся в карьерах и т.д.
Предмет защиты. На защиту выносятся следующие положения:
- результаты моделирования рассеяния теплых туманов искусственными водяными
каплями различной дисперсности и концентрации;
- методика и результаты расчетов рассеяния теплых туманов тепловым методом с
применением экологически безопасных веществ;
- результаты исследований по рассеянию туманов динамическим методом;
- численная модель роста искусственных кристаллов в переохлажденном тумане и
результаты исследований на ее основе;
- рекомендации по усовершенствованию средств воздействия на туманы.
Личный вклад автора. Все основные результаты диссертации получены лично автором.
Личный вклад автора заключается в разработке численных моделей рассеяния теплых
туманов при АВ искусственными водяными каплями и переохлажденных туманов ледяными кристаллами, проведении расчетов по тепловому и динамическому методам АВ
на туман. Автором лично проведен анализ результатов исследований по рассеянию
теплых и переохлажденных туманов.
6
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на
научно-практической конференции "Гидрометеорологические прогнозы и
гидрометеорологическая безопасность", посвященной 170-летию образования
Гидрометеорологической службы России (Москва, 2004); V Всероссийском симпозиуме
по прикладной и промышленной математике (весенняя сессия) (Кисловодск, 2004);
совещании-семинаре "Совершенствование специализированного
гидрометеорологического обеспечения транспортных отраслей" (Уфа, 2004); V
Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (осенняя сессия)
(Сочи, 2004); 50-й юбилейной научно-методической конференции СГУ "Университетская
наука - региону" (Ставрополь, 2005).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения,
списка литературы и приложения. Работа изложена на 130 страницах печатного текста,
включая 33 рисунка и 50 таблиц. Список литературы составляет 121 наименование.
Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются цели и
задачи диссертационной работы, характеризуются теоретические и методологические
основы, объект и предмет исследования, раскрывается научная новизна и практическая
значимость полученных результатов, а также апробация работы.
В первой главе представлены результаты анализа современных представлений о
термодинамических и микрофизических процессах, происходящих в адвективных,
радиационных и смешанных туманах, о суточном и годовом ходе их проявления, о
мощности их развития и метеорологической дальности видимости (МДВ) в них.
Описываются наиболее изученные на сегодняшний день методы АВ на теплые и
переохлажденные туманы и средства воздействия на них, где указаны преимущества и
недостатки рассматриваемых методов АВ. Проводится качественное рассмотрение
влияния "коллективного эффекта" падающей системы капель высокой концентрации на
рассеяние туманов.
7
Наиболее практичным методом воздействия на теплые туманы в настоящее время
считается тепловой метод, а в отношении методов АВ на переохлажденные туманы
наибольшее предпочтение в научных кругах отдается кристаллизующему реагенту Agl и
хладореагенту N2.
Несмотря на некоторые успехи в области рассеяния туманов, существует много вопросов,
которые необходимо решать теоретическим путем, в частности, применяя численные
методы.
Во второй главе представлена разработанная численная модель, описывающая метод
рассеяния теплых туманов путем вымывания частиц тумана искусственными каплями
воды различной дисперсности. Здесь исследуется взаимодействие искусственных капель с
радиусами 300, 600, 1000, 1800 мкм и капель тумана с размерами от 1 до 16 мкм.
Целью исследования в этой главе является оценка изменения концентрации, водности и
МДВ в тумане со временем при проведении АВ.
Подробно излагается постановка задачи и методика расчета характеристик тумана при
вымывании его частиц искусственными каплями.
Считается, что частицы тумана состоят из трех фракций с заданными концентрациями.
Рассматриваются вопросы, связанные с различными скоростями падения дисперсных
частиц, коэффициентом слияния, гравитационной коагуляцией и гидродинамическим
взаимодействием капель при их движении друг относительно друга.
Для описания и проведения расчетов используются формула Траберта, табличные
значения коэффициентов слияния для искусственных капель радиусом г2, падающих
сквозь облако капель радиусом г\, скорости падения искусственной капли радиусом г2 при
наличии гидродинамического взаимодействия и интегро-дифференциальные уравнения,
описывающие изменение функции распределения мелких капель тумана и крупных
капель осадков. Для решения этих уравнений используются методы Рунге-Кутта и
предиктор-корректор [12, 18]. Представлены результаты численных экспериментов.
Рассмотрены вопросы, связанные с техническими
устройствами для создания искусственных капель. Приводится методика и результаты
расчетов рассеяния тумана тепловым методом с помощью различных горючих веществ и
даются рекомендации по применению нетрадиционного, более эффективного и
экологически чистого по сравнению с применяемыми на сегодняшний день веществами,
водорода. Исследуется рассеяние тумана динамическим методом и приводятся результаты
расчетов по повышению эффективности и оперативности этого метода.
В третьей главе представлена разработанная автором работы теоретическая модель,
описывающая метод рассеяния переохлажденных туманов кристаллизующим реагентом.
Целью этого исследования является расчет изменения характеристик тумана при
различной концентрации искусственных ледяных частиц.
Подробно описывается методика расчетов характеристик тумана при внесении в него
ледяных кристаллов. Рассматриваются моно- и полидисперсные туманы.
Уравнения модели описывают испарение капель и сублимационный рост ледяных
кристаллов, баланс парообразной и сконденсировавшейся влаги в тумане.
В главе излагаются вопросы, связанные с процессом самопроизвольного ядрообразования
в переохлажденной воде.
Представлены результаты расчетов численного моделирования рассеяния
переохлажденных туманов при внесении искусственных ледяных кристаллов.
Усовершенствование существующих и разработка новых методов АВ на теплые и
переохлажденные туманы остается актуальной проблемой. Многие существующие
методы недостаточно эффективны, являются дорогостоящими и экологически вредными.
Математическое моделирование позволяет без проведения дорогостоящих натурных и
лабораторных экспериментов исследовать различные подходы к АВ на туман, искать
новые методы и усовершенствовать существующие.
9
ГЛАВА 1
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАССЕЯНИЯ
ТУМАНОВ
Вопросы рассеяния туманов были и остаются актуальными. Особенно остро эта проблема
стоит в наше время в связи с появлением высокоскоростных транспортных средств
различного назначения. Также туманы препятствуют решению многих
народнохозяйственных вопросов. Для решения всех этих проблем необходимо проведение
дальнейших теоретических и экспериментальных исследований по физике образования и
эволюции туманов различных типов, а также по активным воздействиям на них. Поэтому
изучение возможностей рассеяния туманов является одной из важнейших задач
прикладной метеорологии.
В этой главе приводится аналитический обзор состояния проблемы к настоящему
времени.
1.1 Физика туманов различных типов
Основными физическими факторами, приводящими к образованию тумана, являются
изменение температуры и абсолютной влажности воздуха, при котором происходит
насыщение воздуха и последующая конденсация водяного пара. Согласно [43], для его
возникновения необходимо не только насыщение, но и незначительное пересыщение
воздуха, чтобы часть водяного пара сконденсировалась и создала определенную водность
тумана. Однако, по данным других литературных источников достаточно часто
естественные туманы существуют и при относительной влажности (f) воздуха менее
100%, т.е. в условиях недосыщения водяного пара относительно плоской поверхности
воды.
В реальных условиях насыщение воздуха водяным паром происходит, в основном, за счет
охлаждения воздуха. Рост относительной влажности
10
является наиболее надежным и доступным показателем процессов формирования любого
типа тумана, а ее уменьшение — их рассеяния.
В тумане вода находится в двух, а при низких отрицательных температурах - в трех
фазовых состояниях.
Общее влагосодержание воздуха при тумане выражается в виде [53]:
Q = a + q, (1.1)
где а - абсолютная влажность; q - водность (ледность) тумана.
До момента образования тумана или при его рассеянии q = 0 и Q = а. Для тумана же
выражение (1.1) имеет вид:
q = Q-aM(T), (1.2)
где ам(Т) - абсолютная влажность, близкая к насыщающей; Т - температура воздуха.
Из (1.2) следует, что водность тумана может возрастать при увеличении влагосодержания
воздуха Q (например, при испарении воды с земной поверхности, горизонтальном и
вертикальном перемешивании различных слоев воздуха, а также горизонтальном переносе
(адвекции)) и понижении температуры той же массы воздуха, с которым связано
уменьшение ам (Т). Последнее может происходить при турбулентном и молекулярном
теплообмене указанной массы воздуха с соседними воздушными массами и земной
поверхностью, радиационном выхолаживании и адиабатическом расширении при ее
вертикальных движениях.
Различные подходы к классификации туманов представлены в работах [2, 53, 83, 87, 114].
Так как четкой границы между отдельными типами туманов нет, их классификация по
различным типам является условной. Например, при образовании радиационных туманов
определенное значение имеют и адвективные изменения температуры, так как нет
воздушных масс абсолютно однородных по горизонтали, а образование туманов
испарения и
11
адвективных туманов сопровождается и радиационным выхолаживанием. Поэтому при
классификации туманов выделяется основная причина туманообразования [53]:
синоптические, физические и местные особенности формирования.
По синоптическим условиям формирования, согласно [2, 83], они делятся на
внутримассовые и фронтальные, а в зависимости от процесса образования - на туманы [43,
53, 83, 87, 114]:
- охлаждения (наиболее интенсивные);
- испарения; -смешения;
- городские туманы;
- туманы от сгорания топлива.
Все эти туманы являются внутримассовыми, кроме фронтальных.
Туманы охлаждения образуются при понижении температуры воздуха ниже точки росы. К
ним относится большинство туманов. Охлаждение воздуха может происходить при
радиационном излучении, натекании теплого воздуха на более холодную подстилающую
поверхность и адиабатическом подъеме воздуха по склону горы. При этом образуются
туманы:
- радиационные;
- адвективные;
- восхождения (или орографические) [17, 53, 83, 99].
При одновременном действии радиационного и адвективного факторов охлаждения
образуется адвективно-радиационный (или смешанный) туман.
Радиационные туманы образуются в результате охлаждения земной поверхности и
прилегающего слоя воздуха под влиянием излучения и турбулентного перемешивания.
Понижение температуры земной поверхности из-за излучения составляет в среднем около
Гс/ч [53]. При понижении температуры воздуха ниже точки росы в нем происходит
конденсация водяного пара, что приводит к уменьшению удельной
12
влажности и давления водяного пара. Для образования таких туманов благоприятными
являются следующие условия:
- высокая относительная влажность в начальный момент. Чем выше относительная
влажность, тем меньше охлаждение, необходимое для достижения состояния насыщения и
образования тумана. Если водяной пар в воздухе далек от насыщения, то даже при
значительном охлаждении туман не образуется;
- отсутствие облачности или наличие облачности верхнего яруса, так как увеличение
облачности и понижение основания приводят к усилению противоизлучения атмосферы и
уменьшению эффективного излучения земной поверхности, что не способствует ее
охлаждению;
- слабый ветер (1-2 м/с) и небольшая турбулентность [49], которая способствует
охлаждению воздуха от деятельной поверхности.
Так как турбулентность при сильном ветре препятствует охлаждению нижнего слоя
атмосферы, то в этом случае радиационные туманы не образуются, хотя в [17] отмечается,
что при росте удельной влажности с высотой в некоторых случаях наличие ветра все же
способствует формированию тумана, так как турбулентное перемешивание, вызванное
сильным ветром, способствует переносу водяного пара сверху вниз.
Мощность (высота) радиационных туманов зависит от степени охлаждения воздуха. При
охлаждении ниже точки росы самого нижнего слоя атмосферы образуется низкий туман,
который обычно сопровождается приземной инверсией, возникающей вследствие
охлаждения воздуха от земной поверхности. При этом большая устойчивость
стратификации затрудняет вертикальное перемешивание, из-за чего резко ослабляется
обмен между нижними и более высокими слоями атмосферы. Вследствие этого тепло не
поступает сверху вниз, а водяной пар не уходит снизу вверх, что способствует быстрому
достижению точки росы и образованию тумана. Мощность такого тумана может
достигать значений от нескольких метров до
13
100 м, а иногда он стелется над земной поверхностью тонким слоем в виде пелены
толщиной менее 2 м.
Кроме того, большую роль в образовании низких радиационных туманов играют местные
условия, например, в низинах и оврагах туман может наблюдаться и тогда, когда над
соседними возвышенностями и равнинами его нет. Это связано с тем, что в низинах
создаются наиболее благоприятные условия для охлаждения воздуха. Такие же условия
возникают и при густом растительном покрове.
Радиационные туманы часто образуются после выпадения дождя и последующего
прояснения, сохраняющегося в ночное время. Над большими озерами и реками низкие
радиационные туманы не образуются из-за медленного охлаждения поверхностей озер и
рек ночью. Они чаще всего наблюдаются в вечерние, ночные или утренние часы, причем,
чем ближе водяной пар к состоянию насыщения, тем раньше образуется туман. После
восхода солнца приземная инверсия разрушается и приземный туман рассеивается.
Поздней осенью или зимой при установившейся антициклонической погоде радиационное
охлаждение воздуха происходит не только ночью, но и днем. При этом значительно
повышается тот уровень в атмосфере, до которого распространяется охлаждение воздуха
от земной поверхности и туман может простираться до высоты нескольких сотен метров.
Высокий радиационный туман, в отличие от низкого, охватывает большие пространства и
может сохраняться в течение многих суток, лишь немного ослабевая днем и снова
усиливаясь ночью [17].
Образованию адвективных туманов благоприятствует теплая масса воздуха,
перемещающаяся на более холодную подстилающую поверхность. При поступлении
теплой воздушной массы на холодную поверхность в ней устанавливается инверсионное
распределение температуры, охватывающее постепенно все большую толщу. Охлаждение
начинается от земной поверхности, где в первую очередь начинается конденсация
водяного пара,
14
которая может охватить весь слой инверсии, простирающийся иногда до высот 1,5-2 км.
В работе [53] приводятся следующие благоприятные условия для образования
адвективных туманов:
- высокая относительная влажность перемещающегося воздуха до вступления его на более
холодную подстилающую поверхность;
- большая разность температур между воздушной массой и земной поверхностью;
- умеренные скорости ветра (2-5 м/с), так как при больших скоростях ветра развивается
сильный турбулентный обмен, препятствующий образованию тумана. При слабом ветре
воздушная масса медленно перемещается и медленно охлаждается от подстилающей
поверхности;
- рост или постоянство удельной влажности с высотой. Турбулентный обмен всегда
способствует выравниванию удельной влажности по вертикали. Если удельная влажность
возрастает с высотой в приземном слое, то под влиянием турбулентного обмена
количество водяного пара вблизи земной поверхности будет увеличиваться за счет
переноса из более высоких слоев;
- умеренно устойчивая стратификация и сравнительно слабый турбулентный обмен. При
очень устойчивой стратификации (сильной инверсии) турбулентный обмен прекращается.
Благодаря молекулярной диффузии охлаждение от земной поверхности распространяется
крайне медленно, поэтому туман образуется в данном случае в очень тонком слое вблизи
земной поверхности.
К адвективным относятся и береговые туманы, образующиеся на суше зимой при теплом
ветре с моря.
Согласно [2], адвективные туманы являются наиболее интенсивными и занимают большие
площади. Кроме того, они могут существовать продолжительное время (иногда несколько
суток), вследствие чего более опасны для авиации, чем радиационные туманы.
15
Однако, исследования, проведенные авторами работы [114] в аэропорту Петровек
(Македония), показывают, что наиболее часто повторяющимися (54,7%) и самыми
длительными по времени существования (77,3%) из всех типов туманов являются
радиационные туманы.
Туманы восхождения формируются при подъеме ненасыщенного воздуха вдоль склонов
возвышенностей и гор. Воздух при этом адиабатически охлаждается, что приводит к
конденсации водяного пара и образованию тумана. Необходимым условием при этом
является то, чтобы стратификация воздуха, поднимающегося по склону, была устойчивой,
иначе при более интенсивных восходящих движениях воздуха вместо тумана могут
образоваться кучевые облака.
Туманами, не связанными с охлаждением, считаются туманы испарения и туманы
смешения.
Туманы испарения появляются вследствие притока водяного пара в воздух при испарении
воды с теплой подстилающей поверхности и последующего охлаждения воздуха,
поднимающегося над ней. Для этого необходимо, чтобы испаряющая поверхность была
значительно теплее воздуха. При этом, чем ниже температура воздуха, натекающего на
водную поверхность, тем интенсивнее будет испарение и туман, образующийся над ней.
По данным [53] наибольшую повторяемость (30 - 40%) имеют туманы, образующиеся при
разности температур AT = Тв - Т, равной 4 - 6 С (Тв -температура воды; Т - температура
натекающего воздуха). Бывают и случаи (5 - 7%), когда разность AT превышает 16 С.
Туманы испарения в основном образуются в высоких широтах над полыньями,
разводьями и незамерзающими заливами в зимние месяцы при достаточно низкой
температуре воздуха (морские туманы). Осенью, когда поверхность воды в реках и озерах
оказывается значительно теплее, чем суша при натекании на воду более холодного
воздуха с суши в результате интенсивного испарения, часто возникает осенний туман [83].
16
Особым случаем тумана испарения является, как отмечалось выше, фронтальный туман,
который наблюдается, чаще всего, перед прохождением теплого фронта и перемещается
вместе с этим фронтом. Он образуется, когда водяной пар достигает состояния насыщения
за счет испарения фронтальных осадков. Дополнительной причиной образования таких
туманов может быть адиабатическое понижение температуры воздуха, вызванное
падением давления перед фронтом. Непосредственно у поверхности раздела двух
воздушных масс фронтальный туман возникает и при их смешении.
Туманы смешения образуются в результате совместного действия факторов, приводящих
к возникновению туманов охлаждения и испарения, т.е. при горизонтальном
перемешивании воздушных масс с различной температурой и относительной влажностью,
а также при определенных условиях турбулентного вертикального обмена.
Как отмечают многие исследователи, слабое турбулентное перемешивание обычно
способствует развитию и стабилизации тумана, а сильный турбулентный обмен приводит
к его рассеянию.
Согласно [83], эффект смешения может сработать только в том случае, если
относительная влажность воздуха смешиваемых масс не меньше 95%, а разность
температур - не меньше 10 С.
Отдельное место занимают городские туманы, которые возникают в больших городах в
результате работы промышленных предприятий, где во влажном воздухе из-за наличия
большого числа активных ядер конденсации легко начинается конденсация. Их
повторяемость растет по мере увеличения числа промышленных предприятий. Такие
туманы могут быть вызваны любой из рассмотренных выше причин, усиливаются под
влиянием городских условий, а иногда сохраняются даже в течение нескольких дней.
Кроме того, городские условия благоприятны для возникновения сильных и опасных
туманов, смешанных с дымом и выхлопными газами автомашин (смоги).
17
Помимо городских туманов можно еще отметить туманы ом сгорания топлива. Для их
образования характерен зимний период года, когда начинается отопительный сезон. При
сгорании газа, дров и угля в воздух поступает большое количество ядер конденсации и
водяного пара, в результате конденсации которого и образуется туман.
Эти и городские туманы чаще всего появляются в утренние часы, когда водяной пар
близок к состоянию насыщения. Из-за наличия большого количества ядер конденсации
они могут появиться при относительной влажности воздуха 75 - 95%.
По интенсивности туманы бывают со следующими значениями МДВ: сильный (< 50 м);
умеренный (50 - 500 м) и слабый (500 - 1000 м) [17, 53, 83]. В работах [2, 25, 49] эта
градация немного отличается: очень сильный туман (< 50 м), сильный туман (50 - 200 м),
умеренный туман (200 - 500 м) и слабый туман (500 - 1000 м). Согласно [32]: сильный
туман (< 100 м), умеренный туман (100 - 500 м) и слабый туман (500 - 1000 м).
В работе [43] показано, что для тумана с МДВ менее 100 м вероятность его существования
не более 3 часов равна 57 % и не более 6 часов - 91%.
Возникновение, развитие и распад туманов зависит от термодинамических условий в
атмосфере, обеспечивающих возможность конденсации или сублимации водяного пара, а
также от микрофизических процессов.
Основными и важнейшими микрофизическими характеристиками туманов являются:
водность, спектр размеров частиц гидрометеоров, их концентрация, фазовое состояние и
форма ледяных частиц в них [86].
К физическим характеристикам туманов относятся относительная влажность воздуха,
распределение температуры с высотой, скорость ветра, высота верхней границы тумана,
суточный и годовой ход туманов, их повторяемость.
Как отмечено выше, для образования любого типа тумана, за исключением смога,
необходимым условием является насыщение воздуха и
Список литературы