Р. Скорер - Аэрогидродинамика окружающей среды (1115254), страница 77
Текст из файла (страница 77)
То, что опа имеет форму изогнутого конуса, видно только сбоку. Снизу же видно, что она явно бифуркирована (рис. 10.3.1). Действительно, струя, видимая сш1зу как бифуркированная, поднимается вверх благодаря собственной плавучести, и завихрения, псремешивающие ес с окружа|ощим Воздухом, возникают только благодаря плавучести, а не присутствуют в окружающем воздухе. Если всплывающая струя попадает в сильно стратифицировапный воздушный поток, она начинает бифуркировать (и становиться конусообразной), по скоро достигает равновесной высоты и далее распространяется горизонтально. Для устойчивой стратпфикацип наиболее характерны слабые ветры, направление которых по горизонтали может меняться, и тогда струя выглядит горизонтально блуждающей.
Такое горизонтальное блуждание наблюдается нечасто, так что разновидность струй, называемая веерообразной (рис. 10.7.2), встречается редко. Когда ветер очень слаб, дымовой шлейф поднимается вертикально, как и подобает горячей струе, и растекается в горизонтальном направлении по достижении равновесной высоты (рис.
10.7.3). Вершина шлейфа все время меняет свое положепие в некоторых цеболыпих пределах, а так как вблизи очень устойчивого слоя часто отсутствует непрерывность в изменении скоростей ветра по высоте, струя растекается в разные стороны тонким слоем загрязненного воздуха. Когда загрязненный слой уже сформировался и с утра начинается термическая конвекция, под действием которой дымовые струи приобретают задымля1ощую форму, почти одновременно в обширном пространстве на уровне земли происходит загрязнение воздуха. По этой причине источник загрязнения обычно нелегко идентифицировать, в особенности если загрязнение аккумулировалось в темное Время суток. Этот механизм был впервые обнаружен Хьюсеном, когда металлургический завод в Трейле (Британская Колумбия) стал источником загрязнения, которое наблюдалось утром па расстоянии около 80 км ниже по долине реки Колумбия, причем в промежуточных пунктах загрязнения воздуха на уровне земли не происходило.
Возрастание уровня загрязненности у земли может произойти совершенно 422 глава ю внезапно, поскольку утренняя конвекция может породить анабатическис ветры со стороны долины. Эти ветры распространяются над загрязненным слоем и опускают его в центре долины без всякого разбавления. Когда струя истекает из трубы выше инверсионного слоя, что часто происходит при наличии холодного слоя воздуха вблизи земли вечером или ночью, турбулентность окружающей среды обычно очень мала.
Тогда струн поднимается вверх (под действием собственной плавучести) с бифуркацией, пока не достигнет основания облака или устойчивого слоя. Восходящая струя, показанная на схеме рис. !0.7.1, встречается редко, так как она возникает только в такой ситуации, когда вследствие внешней турбулентности распространение струи происходит вверх, но не вниз.
Кроме того, турбулентность, более интенсивная, чем та, которая обусловлена плавучестью самой струи, редка над очень устойчивым слоем, так как непосредственно над этим слоем безразличная стратификация встречается редко. Термикообразующая струя возникает, когда при нагревании солнцем поверхности земли образуются герники, которые становятся основным источником завихрений. Струя большой пла- Рис. 10.7.З. Дымовой шлейф ст старой теплоэлектростанции в Айроибидже Сленг патока «ед неподвижным воедухам долины хорогпо прослежннвется н нерлисй чести шлейфа. Квк н в случае рис. 10.7.2. после етого проихашпо хндь~млаиве местности. РАССЕЯНИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРЕ 423 вучести сама инициирует возникновение термиков; при этом все загрязняющие вещества, по-видимому, уносятся вверх, тогда как рассеянием вниз можно пренебречь.
Флагообразиая разновидность встречается преимущественно среди струй малой плавучести при низких скоростях истечения. С подветренной стороны некоторых труб срываются вертикально направленпыс вихри, и иногда можно наблюдать, как загрязняющие вещества втягиваются внутрь этих вихрей и затем уносятся нисходящим потоком. Это явление играет важную роль на практике только тогда, когда на впешнк>ю поверхность трубы в течение длительного времени попадает значительное количество дымовых частиц. В случае, изображенном па рис.
10.3.3, была закопчена примерно вся верхняя половина трубы. Некоторые архитектурные решения приводят к возникновению флагообразной струи, по проблема обучения архитекторов тому, как именно следует проектировать трубы, чтобы, не загрязняя земли, воздуха и зданий, отводить дым, начала привлекать внимание только в течение последних двух десятилетий. В последнее время до понимания необходимости учета таких явлений дошли и архитскторы, так что эта экологическая проблема стала, наконец, проблемой и для них. Нисходящей струи можно избежать, если отнести основание трубы достаточно далеко от здания.
Многие трубы действую~ так, что выбрасываемые загрязняющие вещества захватываются вблизи выпуска нисходящими завихрениями, возникающими из-за отрыва потока выступающими частями зданий. Более подробно этот вопрос рассмотрен в книге автора А1г РоПп11оп (глава об отрыве потока). Особым случаем является выброс отработанных газов тепловой электростанпией, где нисходящее движение обусловлено отрицательной плавучестью струи. Старое эмпирическое правило, что труба должна быть в 2,5 раза выше здания, на котором она стоит, пе основывается ни на чем, кроме того, что это правило было принято в те времена, когда никаких других рекомендаций не предлагалось. Сэр Дэвид Брант сказал мпе, что он придумал это правило на основе некоторых наблюдений за траекториями полетов шаров-зондов над холмом.
Из наблюдений как будто следовало, что при высоте полета в 2,5 раза большей, чем высота холма, влияние холма на траекторию полета уже не ощущается. Это наблюдение, конечно, мало относится к делу, не говоря уже о том, что даже его обобщение только на случай газовых потоков пад холмом само по себе было бы некорректно. Указанное эмпирическое правило неприменимо к зданиям, имеющим форму башни; вэтом случае следует провести эксперимент в аэродинамической трубе. Однако важно заметить, что для выявления всех возможных проблем характеристики турбулентности должны быть 424 ГЛАВА М воспроизведены в аэродинамической трубе в широком диапазоне. Все же не стоит слишком серьезно воспрпнпмать проблему моделирования турбулентности при проектировании труб, поскольку многообразие форм завихрений, включая холодную нисходящую струю, столь велико, что все их просто невозможно смоделировать.
Важно проэксперимептировать с различными модельными препятствиями (в том числе движущимися) в потоке аэродинамической трубы, чтобы определить, что может случиться, если построить натурный объект. Клубяа(аяся струя — явление практически маловажное, и его причины не изучались, хотя предположения на этот счет и делались. Бифуркироваиная струя рассматривалась также в гл.8; она образуется, когда вектор количества движения в выходящем потоке направлен вверх.
10.8. Отбор проб загрязняющих веществ Без использования некоторых измерительных приборов трудно определить такие связанные с погодой физические параметры, как скорость и направление ветра или температура и влажность воздуха, поскольку значения этих параметров меняются в широких пределах. Объективно же определения любых величин (связанных с загрязнением) попросту не существует, так как, с одной стороны, объем отобранного воздуха и длительность отбора пробы конечны, а, с другой стороны, если взяты небольшие (по объему и времени отбора) пробы, то в каждом частном случае бесполезно выяснять детали изменения тех или иных величин при переходе от одной небольшой пробы к другой.
Поэтому ббльшая часть определений устанавливает способ, козорым будут отбираться пробы. Как отмечалось в гл. 7, пе существует способа определения, который не зависел бы, и часто существенно, от объема отобранного воздуха. Диапазон изменения концентраций загрязняющих веществ обычно больше, чем диапазон соответствующих расстояний иля времен. Это объясняется тем, что вблизи источников концентрация загрязняющих веществ может увеличиться на несколько порядков.
К тому же и в естественной, и в искусственной средах существуют стоки ряда разновидностей загрязняющих веществ. Поэтому целесообразно определить фоновый уровень загрязнения, порождаемый отдаленными источниками и не меняющийся от точки к точке, поскольку можно считать, что загрязняющие вещества хорошо перемешаны в воздухе всюду, за исключением окрестностей стоков (например, когда воздух проходит над лесом или изгородью, то концентрация 50з в ряде РАССЕЯНИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРЕ 425 случаев убывает в 2 — 3 раза). Кроме того, возникает локальное загрязнение воздуха за счет источников, близко расположенных к измерительному прибору. Такое загрязнение может происходить неравномерно (порывами). Например, загрязнение воздуха под действием волнообразного дымового шлейфа может отсутствовать в один момент времени и достигать максимума 30 с спустя.
Таким образом, концентрация, усредненная за много периодов, будет давать профиль, подобный РРР на рис. 10.7.1, а, тогда как полученный за несколько секунд профиль концентраций будет похож на Р „на том же рисунке. Поэзому на практике время осреднеция (еслн оно выбирается из каких-либо соотношений, использующих значение концентраций, вычисленных по формуле рассеяния) должно быть в несколько раз больше времени переноса порции загрязняющих веществ от источника до точки наблюдения. Следует отметить, что концентрация в порывах вполне может превышать среднюю в 10 раз, а длительность порывов определяется расстоянием от источника.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
