Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы рассеяния туманов
1.1 .Физика туманов различных типов 9
1.2. Анализ методов рассеяния туманов 25
1.3. Влияние "коллективного эффекта" на рассеяние туманов 37
1.4. Численные модели расчета туманов и АВ на них 39
1.5.Технические средства рассеяния туманов 43
Выводы по главе 1 46
Глава 2. Результаты расчетов по рассеянию теплых туманов искусственными каплями
2.1. Методика расчетов вымывания частиц тумана искусственными каплями...47
2.2. Результаты расчетов рассеяния тумана при распылении искусственных капель 50
2.3. Устройства для создания искусственных капель воды 60
2.4. Методика и результаты расчетов рассеяния туманов тепловым методом .62
2.5 Методика и результаты расчетов рассеяния туманов динамическим методом 70
Выводы по главе 2 74
Глава 3. Результаты расчетов по рассеянию переохлажденных туманов кристаллизующими реагентами
3.1. Микрофизические процессы образования кристаллов из водяного пара 76
3.2. Методические аспекты АВ на туман кристаллизующим реагентом 79
3.3. Методика расчетов 82
3.4. Некоторые результаты расчетов 84
Выводы по главе 3 98
Заключение 99
Литература 102
Приложение
- Анализ методов рассеяния туманов
- Численные модели расчета туманов и АВ на них
- Результаты расчетов рассеяния тумана при распылении искусственных капель
- Методические аспекты АВ на туман кристаллизующим реагентом
Введение к работе
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 физико-математических моделей для усовершенствования применяемых технологий АВ и разработки новых средств воздействия.
Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:
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
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.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на научно-практической конференции "Гидрометеорологичес
кие 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.
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
t концентрации, водности и МДВ в тумане со временем при проведении АВ.
Подробно излагается постановка задачи и методика расчета
f.
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 гь 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
t предиктор-корректор [12, 18]. Представлены результаты численных
экспериментов. Рассмотрены вопросы, связанные с техническими
8 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.
Анализ методов рассеяния туманов
Отдельные разработки методов активного воздействия на облака и туманы в нашей стране были начаты в 1921 г. В.И.Виткевичем и несколько позднее Б.П.Вейнбергом. С 1931 г. исследования по этой проблеме, проводившиеся под руководством В.Н.Оболенского, были значительно расширены. Первые работы в направлении теоретического обоснования возможности активного воздействия на облака и туманы были выполнены в 30 - 40-х годах В.Н.Оболенским, В.В.Базилевичем, В.Я.Никандровым, П.Н.Красиковым и другими. Первые успешные опыты по воздействию на облака с помощью твердой углекислоты (сухого льда СОг) были проведены в 1931 г. в Голландии Ферраартом. Особенно широкий размах работы по проблеме активного воздействия получили в 40 - 50-х годах в нашей стране под руководством Е.К.Федорова, в других странах - И.Ленгмюра, В.Шеффера, Б.Воннегата, Ф.Ладлама и других.
Во многих странах мира проводятся исследовательские и оперативные работы по рассеянию туманов и низких слоистых облаков. Разработаны методы и технические средства воздействия и контроля результатов натурных и лабораторных экспериментов [1, 4, 6, 9, 14, 16, 23, 24, 26, 29, 32, 35, 36, 38 - 43, 46 - 48, 55 - 62, 64, 66, 67, 84 - 86, 91, 92, 100, 105 - 109, 111, 113,115,120,121].
В большинстве случаев активное воздействие на туманы производят на аэродромах, в основном, в начале взлетно-посадочной полосы (ВПП), в морских и речных портах, на скоростных автомагистралях и других объектах, где есть необходимость в увеличении МДВ. Причем, методы, технические средства и реагенты, используемые для рассеяния как теплых, так и переохлажденных туманов, отличаются друг от друга.
В основе всех известных на сегодняшний день методов активного воздействия на туманы лежит воздействие на: - неустойчивость фазового состояния воды; - коллоидную неустойчивость системы капель; - термическую устойчивость атмосферы. Физическими принципами рассеяния для любых типов туманов являются: - осаждение тумана за счет укрупнения капель путем засева льдообразующими и гигроскопическими реагентами; - испарение тумана путем подогрева воздушной массы; - испарение тумана за счет динамического воздействия с целью создания нисходящих потоков более сухого и теплого воздуха над верхней кромкой тумана.
В свою очередь вещества, применяемые для воздействия, можно разбить на несколько групп: - кристаллизующие реагенты: Agl, РЫ2, CuS, флороглюцин, метальдегид и др.; - хладореагенты : N2 [11], С02 [14, 15, 45], пропан [105] и др.; - гигроскопические реагенты: NaCl, СаСЬ и др.; - поверхностно-активные вещества.
Указанные выше группы реагентов предназначены для использования в различных температурных условиях. Например, первая и вторая группы наиболее эффективны при воздействии только на переохлажденные туманы и облака. При этом физический принцип воздействия направлен на то, чтобы искусственным путем вызвать образование ледяных кристаллов в среде, состоящей из переохлажденных капель воды. Реагенты третьей и четвертой групп более подходят в случае теплых туманов. В данном случае физический принцип основан на том, чтобы обеспечить рост вводимых в туман частиц до размеров, начиная с которых они будут выпадать на землю в виде осадков.
При воздействии кристаллизующими и хладореагентами образуются многочисленные ледяные кристаллы в среде, состоящей из переохлажденных капель воды [22, 58, 72, 118]. Несмотря на то, что повторяемость переохлажденных туманов составляет лишь 5% от общего количества часов с туманом на земном шаре, их рассеянию уделяется серьезное внимание для обеспечения нормального функционирования аэропортов, морских причалов, автотрасс, карьеров и т.д. Йодистое серебро (Agl) имеет кристаллическое строение, изоморфное льду и характеризуется такими физическими параметрами, как: - температурный порог кристаллизации - наивысшая температура, при которой в переохлажденном тумане или облаке появляются первые ледяные кристаллы; - температура спонтанной кристаллизации - температура, при которой образуется основная масса переохлажденных капель; - выход ледяных кристаллов - количество ледяных кристаллов, получающихся при диспергировании 1 г реагента при температуре спонтанной кристаллизации.
Численные модели расчета туманов и АВ на них
Поскольку туманы и облака представляют собой сложную систему с многочисленными трудностями для практических исследований процессов, происходящих в них, на вооружении ученых имеется много различных приближенных математических (аналитических, графических, численных) методов (например, метод последовательных приближений, Эйлера, Адамса, Рунге-Кутта, Милна, Крылова, Чаплыгина и др. [12, 18]) с различной степенью точности. Даже при наличии этих методов многие физические процессы в туманах и облаках всё еще либо вообще игнорируются, либо учитываются приближенно из-за чрезвычайной сложности проведения математических расчетов с одновременным учетом всех процессов, происходящих в них. Например, пока еще мало учитываются при моделировании турбулентные, электрические процессы, броуновское движение частиц в туманах и облаках. Несмотря на это, численному моделированию уделяется большое внимание [4, 5, 10, 23, 39, 40, 55, 70, 80, 81, 90 - 93, 102, 103, 108, 111]. Развивается теория, проводятся натурные и лабораторные исследования микрофизических закономерностей взаимодействия частиц туманов и облаков, которые можно было бы применить при разработке более точных методов численного моделирования. Разрабатываются новые модели на основе полных уравнений термогидродинамики и микрофизики, тем самым, повышая степень адекватности моделей реальным объектам.
Таким образом, с точки зрения физики туманов и облаков и активного воздействия на них представляет интерес разработка моделей с учетом наиболее важных процессов и проведение на их основе численных экспериментов, способствующих уточнению теории тумано-, облако- и осадкообразования и решению вопросов активного воздействия на них.
При проведении математических расчетов, связанных с описанием изменений характеристик тумана при естественном развитии и активном воздействии на него, применяются методы численного решения дифференциальных уравнений в частных производных, интегрирования, решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) и т.п.
В работе [24] рассматривается разработанная численная модель теплового способа воздействия на теплый туман, где исследуется пространственное распространение возмущений от точечного постоянного источника тепла при скоростях ветра не менее 2 м/с. Задача решается в рамках пограничного слоя, где в качестве фона взята нестационарная, однородная по горизонтали, замкнутая модель радиационного тумана. Под действием динамического и термического взаимодействия воздушного потока с точечным источником тепла формируется горизонтально неоднородный турбулентный пограничный слой.
При решении системы уравнений движения, неразрывности, переноса тепла, водяного пара и капельной влаги значения метеорологических элементов в зоне локальной адвекции и конвекции представлены в виде суммы их начальных (фоновых) значений, зависящих от пространственных координат и времени возмущений в виде [24].
Научные исследования по разработке методов и средств активного воздействия на облака и туманы в нашей стране начались в 1921 году. В 1931 году в Голландии были проведены первые успешные опыты по воздействию на облака с помощью твердой углекислоты. К настоящему времени разными поколениями ученых многих стран проведены глубокие теоретические и экспериментальные исследования в этой области и внесен значительный вклад в развитие методов и технических средств [77 - 79], вплоть до создания автоматизированных комплексов (например, [105, 106]) по активному воздействию на различные гидрометеорологические процессы.
В качестве технических средств доставки реагента в облака и туманы используются генераторы или распылители наземные или устанавливаемые на борту самолета, пиропатроны, запускаемые с земли или с самолета, различные наземные или самолетные дозирующие установки, артиллерийские снаряды и ракеты и т.д. в зависимости от объекта воздействия: туман или облако.
Для рассеяния теплых туманов тепловым методом применяются, в основном, горелки FIDO (Fog Investigation Dispersal Operations) и турбореактивные двигатели (ТРД), для которых характерна большая теплотворная и рассеивающая способность [23, 35, 53, 83, 119].
В случае динамического воздействия относительно сухие нисходящие потоки воздуха создаются летательными аппаратами (самолетами, вертолетами) при полете над верхней кромкой тумана.
Также используется система компрессоров, выкачивающих в горизонтальном направлении воздух из области, в которой необходимо увеличить видимость [35, 83].
Кроме того, в качестве технических средств воздействия на теплые туманы существуют электрические.преципитаторы [89, 109], установки для введения в облака и туманы порошкообразных реагентов, звуковые и оптические генераторы [35].
Для доставки сухого льда при воздействии на переохлажденные туманы применяется автоматическая дозирующая и гранулирующая самолетная установка типа АДГ [15] и др.
Используются также наземная пропановая установка [105], наземный аэрозольный генератор, наземная установка для засева туманов с помощью пиропатронов, наземная жидкостная углекислотная установка типа ЖКУ [15, 71], сосуд Дьюара вместе с генератором мелкодисперсных льдообразующих частиц (ГМЧЛ) для воздействия жидким азотом [11, 16, 31, 32, 35, 45, 66, 106, 108, 121] и т.д.
В настоящее время учеными проводятся исследования по усовершенствованию существующих и созданию новых методов и технических средств рассеяния туманов, отвечающих современным требованиям по эффективности, оперативности и экологичности. Выводы по главе 1
В главе проведен обзор литературы по проблеме рассеяния туманов различными методами: гигроскопическим, вымывания капель распылением воды, тепловым, динамическим, акустическим, электрическим, оптическим, химическим, предупреждения туманов путем пассивации ядер конденсации, воздействия кристаллизующими и хладореагентами. Проведен качественный анализ влияния "коллективного эффекта" падающей системы частиц высокой концентрации на процесс рассеивания тумана.
Из проведенного обзора литературы следует, что проблема рассеяния туманов остается актуальной, технологии воздействия еще несовершенны, дорогостоящие, многие экологически вредны.
На наш взгляд возможности рассеяния теплых туманов каплями исследованы недостаточно. В частности, не учтены коэффициенты слияния взаимодействующих частиц. При АВ на туман тепловым методом используются традиционные и экологически вредные технологии и материалы (в основном керосин) и мало уделяется внимания поиску новых, нетрадиционных методов и веществ с большей, чем существующие, теплотворной способностью с целью ускорения процесса туманорассеяния при минимальных затратах. В частности, имеются в виду технологии, адаптированные для работы с водородом. В случае динамического метода рассеяния тумана используются компрессоры недостаточной производительности. При воздействии на переохлажденные туманы необходимо учитывать термодинамические условия и характеристики тумана для выбора оптимальной концентрации искусственных кристаллов. Для этого нужны расчеты по детальным моделям, которых пока крайне мало.
Отсюда вытекает цель диссертационной работы: провести уточняющие численные эксперименты по АВ на теплые туманы искусственными каплями, а также тепловым и динамическим методами. На переохлажденный туман -кристаллизующими реагентами.
Результаты расчетов рассеяния тумана при распылении искусственных капель
При проведении расчетов в [86] не учитывались гидродинамическое взаимодействие капель при их движении и коэффициенты слияния взаимодействующих частиц. По нашим расчетам даже с учетом всех неучтенных в [86] физических параметров в области мелких частиц тумана активное воздействие 300 мкм искусственными каплями почти не дает положительного эффекта, а каплями с г2 = 600 мкм - частично. В то же время при определенных размерах искусственных капель (r2 = 1000 мкм, 1800 мкм) и их концентрации получается значимый эффект при рассеивании тумана, особенно в области размеров капель тумана от 8 до 16 мкм.
Из сравнения полученных результатов с данными других авторов следует, что процесс вымывания капель тумана искусственными каплями согласуется с данными, полученными в лабораторных экспериментах [28, 86, 110, 112] и в работе Шметера и Берюлева [104]. Таким образом, проведенные расчеты показывают, что сам процесс вымывания искусственными каплями частиц при определенном соотношении размеров достаточно эффективен, .что дает основание не исключать этот метод, как возможный метод воздействия на теплые туманы.
Для практической реализации данного метода необходимо усовершенствовать существующие диспергирующие устройства (генераторы капель [37] и др.) или создать новые для капель диаметром 2-4 мм.
Искусственные капли могут быть созданы различными устройствами как воздушного, так и наземного базирования разбрызгиванием воды. В первом случае вода выливается из резервуара, установленного в самолете или вертолете, и разбрызгивается естественным образом под влиянием аэродинамического сопротивления воздуха при полете самолета или вертолета. В этом случае выход воды может регулироваться различными насадками в зависимости от выполняемой задачи вплоть до разового выброса огромного количества (несколько тонн) воды, например, при тушении мощной зоны возгорания и т.д. В настоящее время на вооружении МЧС России имеются уникальные в мире самолеты отечественного производства для тушения различных очагов возгорания, которые могут заправляться водой, причем в больших количествах, во время полета над водоемом (озеро и т.д.). Эти самолеты можно применять и для выполнения задач, связанных с рассеянием облаков и туманов путем их засева водой [104].
Во втором случае источником искусственных капель может быть как обычная дождевальная установка, так и различные импульсно-струйные устройства. В качестве источника искусственных капель для рассеяния теплых туманов мощностью 50 — 70 м вполне могут применяться некоторые устройства и технические средства, используемые подразделениями МЧС России для тушения пожаров. В таблицах 34 и 35 приводятся их технические характеристики [20, 27].
Кроме указанных выше устройств, также могут применяться генераторы монодисперсных капель [37] с различной производительностью и возможностью изменения размеров капель и их концентрации. Они могут применяться и для вымывания различных микропримесей из воздуха [63]. 2.4 Методика и результаты расчетов рассеяния туманов тепловым методом Известно, что АВ на туманы с целью их рассеяния проводятся в основном в аэропортах, морских и речных портах, на автодорогах и т.д. Для осуществления таких работ необходимо проведение оценочных расчетов по выявлению наиболее эффективных способов АВ. Данный раздел посвящен оценке возможности прогрева теплого тумана над ВПП с применением различных источников тепла (бензин, керосин и др.). Пусть в начальный момент времени t0 аэродром затянут туманом до большой высоты, а поверхность ВПП нагрета до температуры То и в дальнейшем поддерживается при этой температуре. Предполагается, что ветер в тумане на всех высотах отсутствует и, что рассеяние тумана достигнуто на тех высотах, где прогрев и МДВ достигли заданных значений. Чтобы определить быстроту распространения прогрева тумана вверх необходимо рассчитать расход тепла и время рассеяния тумана.
При наличии ветра и турбулентного перемешивания просветленная зона будет затягиваться и потребуется больший расход топлива. Для рассеяния тумана при наличии ветра с постоянной скоростью v перпендикулярно ВПП, необходимо непрерывное введение тепла в поток воздуха вдоль всей полосы с наветренной стороны [35]. Из результатов расчетов следует, что водород обладает наибольшей теплотворной способностью. Создание и применение нетрадиционной, безопасной водородной технологии АВ по рассеянию теплого тумана позволит сократить расход горючего почти в 3 раза по сравнению с другими веществами. Кроме того, водород легко получить и в полевых условиях.
Рассмотренные примеры показывают, что тепловые установки для рассеяния тумана над ВПП наиболее выгодно располагать так, чтобы подавать тепло непосредственно в пространство, которое подлежит просветлению. Такая транспортировка тепла может осуществляется с помощью турбореактивных двигателей (ТРД), которые устанавливаются вдоль ВПП и обладают высокой теплопроизводительностью и способностью подавать струю горячего воздуха в нужном направлении с большой скоростью [35].
Для описания возможности применения ТРД для рассеяния теплых туманов и низких слоистых облаков необходимо иметь хорошее представление о процессе распространения высокоскоростной нагретой струи в окружающей атмосфере, что требует глубокого теоретического изучения вопроса.
Сказанное выше подразумевает рассмотрение процесса распространения струи нагретого воздуха, генерируемого ТРД, в окружающей среде, а именно, вертикальной скорости струи и изменения ее температуры при перемешивании с окружающей средой. При этом для удобства рассмотрения можно выбрать вертикальную струю, поскольку вне зависимости от угла наклона оси струи относительно горизонта в промежуточной и пассивной участках струя нагретого воздуха, согласно законам конвекции, будет подниматься вверх.
Если предположить условия в исследуемом объеме воздуха штилевыми (горизонтальная составляющая ветра равна нулю), то чем дальше будет отдаляться какая-либо единичная порция струи нагретого воздуха от соплового среза ТРД, тем больше будет происходить расширение ее поперечного сечения за счет смешивания с более холодным окружающим воздухом (туманом) и, соответственно, охлаждение. Причем, скорость струи будет уменьшаться вследствие того же эффекта смешения, хотя при большом перегреве воздуха в струе из-за влияния архимедовых сил скорость струи не только не уменьшается, а даже растет [35].
Методические аспекты АВ на туман кристаллизующим реагентом
Основным экономическим стимулом активного воздействия на туман является тот факт, что туман в аэропортах препятствует взлету и посадке самолетов. Подавляющее большинство работ по воздействию на туман во многих странах мира ведется в аэропортах. Контрольной величиной в тумане является МДВ. Обычно целью прояснения тумана является улучшение видимости для систем посадки (в пределах I - III категорий) вдоль конечной части траектории захода самолета на посадку, и вокруг точки приземления [2, 23, 35, 93]. Объем воздуха, который должен подвергнуться воздействию, составляет 10 - 10 м .
МДВ во время тумана изменяется обратно пропорционально сумме поперечных сечений рассеяния света капельками тумана на единицу объема [75]. Сечения рассеяния пропорциональны геометрическим сечениям капелек тумана. Следовательно, при данной концентрации капель тумана видимость лучше при тумане, содержащем крупные капельки (часто характерные для адвективного тумана), нежели при тумане с очень маленькими капельками (типичными для вновь образовавшегося радиационного тумана).
Видимость в тумане может быть улучшена путем удаления некоторого числа капель тумана, уменьшения диаметра капель при сохранении их общего количества или коагуляцией капель тумана при сохранении постоянного содержания воды в нем.
Наиболее распространенный метод рассеивания переохлажденного тумана основан на процессе Бержерона [19]. Введение искусственных частиц льда приводит к испарению переохлажденных капелек и осаждению водяного пара на частицах льда. Когда частицы льда становятся достаточно большими, они начинают увеличиваться также и за счет аккреции. В некоторых случаях частицы льда увеличиваются до такой степени, что падают на землю в форме снега и крупы, производя полное прояснение. Даже если этого не происходит, уменьшение числа маленьких капелек и сосредоточение воды в относительно небольшом количестве крупных капелек улучшает видимость.
Частицы льда могут быть образованы путем снижения температуры воздуха ниже -40 С с помощью хладонов (твердой углекислоты (сухого льда), жидкого пропана, жидкого азота) или путем засева Agl (или других искусственных льдообразующих ядер). Поскольку переохлажденный туман о часто возникает при температуре немного (на 1 - 4 градуса) ниже О С, когда применение Agl и других искусственных льдообразующих ядер малоэффективно, в большинстве случаев используются замораживающие реагенты, например, твердая углекислота [7]. При этом повышается активность льдообразующих ядер.
Наилучшая концентрация зародышевых льдообразующих частиц зависит от характеристик тумана и времени, подходящего для прояснения. Если требуется почти полное прояснение, то достаточно относительно низкой концентрации зародышей льда (около 10 — 50 л"1), с тем чтобы кристаллы льда или небольшие снежинки опустились на землю произведя, таким образом, частичное или даже полное локальное прояснение. Обычно процесс протекает в течение 30 или более минут. Если необходимо устранить значительную часть переохлажденной воды за короткое время, например, за 5 мин, нужно, чтобы концентрация частиц льда составила около 103 л"1 [35]. В таком случае результатом засева будет ледяной туман, состоящий из крупных частиц, видимость для самолета заметно улучшится.
Технические аспекты прояснения переохлажденного тумана могут быть разработаны для любой системы доставки реагента. Зона влияния ледяных кристаллов увеличивается за счет турбулентной диффузии, а также перемещается с ветром. При простой ситуации требуется учет диффузии только в одном направлении. Турбулентная диффузия несколько увеличивается за счет местного нагрева, связанного с замерзанием переохлажденного тумана.
При обычной операции рассеивания переохлажденного тумана в аэропорту АВ производится параллельно ВПП, которую необходимо прояснить. Засевы производятся в течение 15-30 мин с наветренной стороны взлетно-посадочной полосы и повторяются с такой частотой, чтобы расстояние между образовавшимися полосами ледяных кристаллов составило примерно 1 км [35]. Существуют лабораторные подтверждения того, что ледяные частицы в воздухе, насыщенном водой, увеличиваются гораздо быстрее при температуре от -4 до - 6 С, чем при более высокой температуре.
Рассеяние переохлажденных туманов достаточно эффективно осуществляется при внесении в них сравнительно небольшого числа ледяных кристаллов. Физика воздействия заключается в том, что вследствие разности парциального давления насыщенного водяного пара над водой и льдом происходит быстрая перегонка пара с капель на кристаллы. При этом, если концентрация ледяных кристаллов существенно меньше, чем капель, то перераспределение взвешенной в воздухе воды с большего числа частиц на меньшее приводит к резкому увеличению размера кристаллов и дальности видимости.
Поскольку речь идет о сравнительно тонких слоях туманов (низкой облачности), состоящих из мелких капель, то пренебрежем механизмом коагуляционного роста по сравнению с сублимационным.
