Теоретические и экспериментальные исследования процесса распространения льдообразующего аэрозоля в подоблачном слое при воздействии наземными генераторами Петрунин Андрей Михайлович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Современные средства активного воздействия на облака с использованием льдообразующих реагентов и методы оценки их эффективности 13

1.1. Методы активного воздействия на облака, способы их реализации 13

1.1.1. Активные воздействия на облака с использованием фазовой неустойчивости 13

1.1.2. Активные воздействия на облака с использованием конвективной неустойчивости атмосферы 17

1.2 Особенности применения различных типов генераторов при воздействии на облачные процессы

1.2.1. Самолетные аэрозольные генераторы 19

1.2.2. Наземные средства воздействия на облака 23

1.3. Методы оценки льдообразующей эффективности полноразмерных генераторов 31

Выводы 36

Глава 2. Теоретическое исследование процесса распространения льдообразующего аэрозоля при воздействии наземными генераторами методами численного моделирования 38

2.1. Численная модель «SeedDisp» для расчета переноса реагента 39

2.2. Результаты численного моделирования в программе «SeedDisp» 42

2.3. Оценка влияния высоты диспергирования льдообразующего аэрозоля на его распространение в подоблачном слое 51

Выводы 59

Глава 3. Разработка малогабаритного аэродинамического стенда для испытания полноразмерных генераторов на льдообразующую активность 61

3.1. Физические основы экспериментальных методик определения эффективности льдообразующих генераторов 61

3.2. Малогабаритный аэродинамический стенд для исследования эффективности действия полноразмерных генераторов льдообразующего аэрозоля

3.2.1. Аэродинамический стенд АО «ЧПО им. В.И. Чапаева» 68

3.2.2. Методика проведения испытаний на аэродинамическом стенде АО «ЧПО им. В.И. Чапаева» 71

3.3. Результаты исследования эффективности штатных и вновь

разработанных генераторов льдообразующего аэрозоля на малом

аэродинамическом стенде 74 Выводы 77

Глава 4. Натурные исследования распространения реагента в подоблачном слое при работе наземными генераторами 78

4.1. Общие требования к разработке наземных генераторов 78

4.2. Наземные аэрозольные генераторы непрерывного диспергирования 79

4.2.1 Наземный аэрозольный генератор НАГ-07 79

4.2.2. Наземный аэрозольный генератор НАГ – 12 82

4.2.3 Наземный аэрозольный генератор НАГ–07М 87

4.3. Генератор льдообразующего аэрозоля фейерверочного типа 92

4.4. Система дистанционного управления наземными генераторами 95

4.5. Натурные эксперименты по оценке распространения реагента в подоблачном слое при проведении активных воздействий наземными генераторами 97

4.5.1. Опытная эксплуатация наземных аэрозольных генераторов в Северо Кавказской Военизированной Службе в 2009-2010 г.г 97

4.5.2. Эксперименты по оценке зоны распространения реагента при воздействии наземными генераторами 104

4.6. Рекомендации по разработке и применению наземных аэрозольных генераторов нового поколения 113

4.6.1. Конструктивные особенности при разработке новых пиротехнических элементов 113

4.6.2 Методика проведения работ наземными аэрозольными генераторами 117

Выводы 120

Заключение 122

Литература

• Особенности применения различных типов генераторов при воздействии на облачные процессы
• Оценка влияния высоты диспергирования льдообразующего аэрозоля на его распространение в подоблачном слое
• Методика проведения испытаний на аэродинамическом стенде АО «ЧПО им. В.И. Чапаева»
• Генератор льдообразующего аэрозоля фейерверочного типа

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Работы по активным воздействиям (АВ) на переохлажденные облака с целью предотвращения выпадения града, рассеивания облаков, искусственного регулирования осадков (ИРО) были начаты в середине прошлого века. Основным способом воздействия является доставка в облака льдообразующих аэрозолей или хладагентов, которые при попадании в переохлажденную часть облака приводят к формированию дополнительных ледяных кристаллов в облаке, которые в дальнейшем служат зародышами осадков.

Обычно получение льдообразующих аэрозолей осуществляется при термической возгонке льдообразующих реагентов типа AgJ. Это происходит, например, при сжигании AgI в ацетоновых растворах или пиротехнических состава.

В настоящее время в мировой практике АВ на облака используются аэрозольные генераторы разных типов. К ним относятся противоградовые ракеты, пиропатроны, отстреливаемые в облако с борта самолета, самолетные пиротехнические и ацетоновые генераторы, стационарно устанавливаемые на фюзеляже самолета, наземные пиротехнические и ацетоновые аэрозольные генераторы.

Следует отметить, что широкое применение в зарубежной практике АВ нашли наземные аэрозольные генераторы, в частности, в европейских странах, странах Южной и Северной Америки, Китае и других странах мира. В основном это связано с простотой их применения и относительной дешевизной по сравнению с самолетными и ракетно-артиллерийскими способами доставки реагента в облако. Несмотря на успешность их применения в многочисленных зарубежных программах по искусственному увеличению осадков (ИУО) и при проведении противоградовых работ (ПГР) в нашей стране до последнего времени разработке наземных генераторов уделялось второстепенное внимание. Так, разработанные в 60-х годах в СССР комплекс наземных генераторов «Букет» не нашли широкого применения в оперативных работах по АВ. В основном это было связано с имеющимися недостатками в стабильности горения льдообразующих составов и в работе системы управления генераторами. В 90-е годы в связи с объективными причинами разработки в этом направлении были прекращены. Однако в последние годы в связи с обращениями из ряда регионов России, о проведении АВ на облака, где полностью отсутствует инфраструктура для применения ракетного или авиационного способов доставки реагента в облако, становится все более актуальным вопрос о создании наземных пиротехнических аэрозольных генераторов нового поколения с возможностью автономной работы.

Одной из важнейших характеристик разрабатываемых наземных генераторов является их льдообразующая эффективность – количество льдообразующих частиц, которое производит генератор из единицы массы возгоняемого пиротехнического состава или раствора. В конечном итоге эта характеристика определяет общий расход средств, необходимых для получения положительного эффекта воздействия.

Как показывают результаты многочисленных исследований величина выхода

льдообразующих ядер зависит от таких факторов, как содержание реагента в составе, химического состава используемой пиротехники, конструктивных параметров генератора и т.п. Более того, как показали результаты экспериментальных исследований в НПО «Тайфун», эффективность пиротехнических генераторов зависит и от соблюдения технологических условий их изготовления, срока и условий их хранения. Это делает все более актуальным необходимость методически корректного экспериментального определения параметров и постоянного оперативного мониторинга льдообразующей активности пиротехнических составов и генераторов как на стадии их производства, так и в процессе эксплуатации технических средств воздействия, т.е. в процессе работ по АВ.

Таким образом, становится крайне актуальным вопрос проведения теоретических и экспериментальных исследований процесса засева подоблачного слоя льдообразующим аэрозолем.

Цель работы. Исследования процессов распространения льдообразующего аэрозоля в подоблачном слое при воздействии наземными генераторами для повышения эффективности работ по АВ на облака.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Провести численное моделирование процесса распространения льдообразующего аэрозоля при работе наземных аэрозольных генераторов для выявления основных факторов, влияющих на характер распространения льдообразующего аэрозоля в подоблачном слое, и на основе этого сформулировать основные технические требования к разработке наземных аэрозольных генераторов нового поколения.

2. Разработать методику и аппаратуру для оценки льдообразующей эффективности полноразмерных аэрозольных генераторов на базе малогабаритного аэродинамического стенда.

3. Создать опытные образцы наземных пиротехнических аэрозольных генераторов нового поколения и систему для их дистанционного управления.

4. Разработать методику натурного эксперимента по изучению процесса распространения льдообразующего аэрозоля в подоблачном слое при работе наземными генераторами и провести эксперименты с целью верификации разработанной численной модели.

5. Сформулировать рекомендации по дальнейшей разработке и применению наземных генераторов льдообразующих аэрозолей.

Объект исследования. Объектом исследования является процесс засева подоблачного слоя атмосферы льдообразующим аэрозолем при работе наземными аэрозольными генераторами. Предмет исследования. Предметом исследования являются пиротехнические наземные аэрозольные генераторы, их характеристики и методы проверки их эффективности.

Методы исследования. Методами исследования, использованными в настоящей

диссертационной работе, являются численное моделирование, натурные и лабораторные эксперименты.

Достоверность. Достоверность полученных в диссертационной работе результатов и выводов обеспечивается большим объемом проведенных численных, лабораторных и натурных экспериментов, как по исследованию распространения реагента в подоблачном слое атмосферы, так и по определению льдообразующей эффективности разработанных генераторов. Научная новизна работы. В работе получены следующие научные результаты:

6. С помощью численного моделирования выполнено теоретическое исследование процесса распространения льдообразующего аэрозоля в подоблачном слое от наземных генераторов для разных метеорологических и орографических условий.

7. Впервые проведено сравнение характера распространения аэрозолей для двух типов генераторов – с непрерывным диспергированием льдообразующего аэрозоля на уровне земли и с дискретным диспергированием на высотах от 200 до 500 м над землей через определенные интервалы времени (генераторы фейерверочного типа).

8. На основе результатов численного моделирования выработаны основные технические требования к разрабатываемым наземным генераторам.

9. Впервые обоснована и разработана методика оценки эффективности действия полноразмерных генераторов льдообразующих аэрозолей с использованием малогабаритного аэродинамического стенда, которая позволяет получать объективную информацию о льдообразующих характеристиках как вновь разработанных генераторов, так и генераторов, находящихся на хранении. Разработана и отлажена аппаратура, реализующая данную методику.

10. Созданы и прошли опытную отработку несколько типов пиротехнических наземных аэрозольных генераторов с непрерывным диспергированием аэрозоля на уровне земли и генераторов фейерверочного типа. Данные разработки подтверждены патентами на изобретения.

11. Разработана и прошла опытную отработку универсальная система дистанционного управления (СДУ) наземными генераторами, позволяющая осуществлять управление и оперативный контроль за работой генераторов по радиоканалу, сотовой связи GSM, проводной связи или непосредственно с блока управления, установленного на мачте генератора.

7. Проведены экспериментальные исследования по распространению льдообразующего

аэрозоля в подоблачном слое при работе наземных генераторов. Сравнение экспериментальных данных с данными, полученными с помощью трехмерной нестационарной численной модели «SeedDisp», показало хорошую сходимость результатов.

Практическая ценность полученных в диссертации результатов заключаются в следующем:

Разработанная численная модель на этапе подготовки к проведению активных воздействий позволяет осуществлять правильный выбор расположения генераторов в зависимости от их типа, метеорологических условий и орографии местности.

Разработанные пиротехнические наземные аэрозольные генераторы нового поколения с СДУ позволяют проводить работы по активным воздействиям в местах, в которых работы противоградовыми ракетами или авиационным методом невозможны или экономически не целесообразны.

Созданная СДУ позволяет управлять генераторами через блок управления установленного на мачте генератора или используя пульты по проводам, радио или GSM каналам.

Применение созданного малогабаритного аэродинамического стенда при производстве пиротехнических генераторов льдообразующего аэрозоля, а также в специализированных службах активного воздействия позволит оперативно осуществлять мониторинг льдообразующей эффективности генераторов.

В настоящее время малогабаритный аэродинамический стенд введен в опытную эксплуатацию в АО «ЧПО им. В.И. Чапаева».

На защиту выносятся:

Результаты численных экспериментов по моделированию распространения реагента в подоблачном слое при использовании разных типов наземных генераторов при различных метеорологических условиях и для различных географических районов.

Усовершенствованный метод засева облаков льдообразующим аэрозолем при воздействии разработанными наземными генераторами нового поколения.

Результаты экспериментальных исследований распространения льдообразующего аэрозоля в подоблачном слое при воздействии наземными генераторами.

Методика оценки льдообразующей эффективности полноразмерных аэрозольных генераторов на созданном малогабаритном аэродинамическом стенде.

Методика проведения работ наземными аэрозольными генераторами с использованием разработанной системы дистанционного управления при АВ на облака.

Оценка эффективности различных типов наземных аэрозольных генераторов применяемых в работах по АВ на облака.

Личный вклад автора. Постановка задачи и выбор метода исследования осуществлены
совместно с научным руководителем. Все используемые в диссертации экспериментальные
данные, данные численного моделирования и результаты исследования по работе с малым
аэродинамическим стендом получены при непосредственном участии автора. Автором
проведено тестирование и отладка разработанной в Агентстве АТТЕХ трехмерной численной
модели SeedDisp, а также сравнение результатов численного моделирования с результатами
натурного эксперимента по распространению льдообразующего реагента в подоблачном слое.
При непосредственном участии автора произведена разработка малогабаритного

аэродинамического стенда, наземных аэрозольных генераторов «НАГ-07», «НАГ-12», «НАГ-07М», «ГЛА-105» и универсальной СДУ. Основные выводы работы сформулированы автором самостоятельно.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на:

Научно-практической конференции, посвященной 40-летию начала производственных работ по защите сельхозкультур от градобитий (Нальчик, 2007 г.);

VI Всероссийском метеорологическом съезде (Санкт-Петербург, 2009 г.);

V Всероссийской конференции «Современные проблемы пиротехники» (Сергиев Посад, 2009 г.);

Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Нальчик, 2011 г.);

Конференции молодых ученых Высокогорного геофизического института, посвященной 100-летию профессора Г.К. Сулаквелидзе (Нальчик, 2013 г.);

Международной научной конференции с элементами научной школы «Инновационные методы и средства исследований в области физики атмосферы, гидрометеорологии, экологии и изменения климата» (Ставрополь, 2013 г.);

Всероссийской открытой конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, посвященной 80-летию Эльбрусской высокогорной комплексной экспедиции АН СССР (Нальчик, 2014 г.);

II Международной конференции «Инновационные методы и средства исследований в области физики атмосферы, гидрометеорологии, экологии и изменения климата» (Ставрополь, 2015 г);

IV Всероссийской научной конференции «Проблемы военно-прикладной геофизики и контроля состояния природной среды» (Санкт-Петербург, 2016 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 научные работы, в том числе 4 в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК, получено 4 патента на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержит 159 страниц, 56 рисунков, 17 таблиц.

Особенности применения различных типов генераторов при воздействии на облачные процессы

Активные воздействия на облачные процессы имеют многолетнюю историю. В настоящее время во многих странах мира осуществляются различные проекты, связанные с искусственным увеличением атмосферных осадков в ряде районов с недостаточным естественным увлажнением, с предотвращением выпадения града на территориях, где производятся ценные сельхозкультуры, с рассеиванием туманов в аэропортах, на автодорогах и т.п. [1,12,13,30,39,56,101,139,141,143].

Основные методы активных воздействий на облака основаны на возможности управления различными типами неустойчивости, существующими в атмосфере и в облаках, что зачастую позволяет проводить воздействия при сравнительно небольших затратах энергии. При этом среди разных видов неустойчивости наиболее важное значение для возможности локальной модификации облаков, осадков и туманов имеют: 1) коллоидальная неустойчивость, за счет которой происходит конденсационно - коагуляционный рост капель в облаке и выпадение дождя из теплых облаков; 2)термодинамическая (фазовая) неустойчивость коллоидной системы облаков и туманов, возникающая в переохлажденных облаках и туманах, содержащих переохлажденную воду; 3) конвективная (вертикальная) неустойчивость атмосферы [15,31,41,50,59,62,92,94].

Принимая во внимание многообразие типов облачности и различия процессов естественного осадкообразования ниже будут рассмотрены различные подходы к активным воздействиям на основные типы переохлажденных облаков (слоистообразных, слоисто-дождевых и конвективных).

В основе современных научных представлений о физических процессах, приводящих к выпадению осадков из переохлажденных облаков, в настоящее время лежит теория, разработанная Вегенером [173], Бержероном [100] и Финдайзеном [123]. Теория основана на известном из физики факте, что упругость насыщенных паров надо льдом меньше, чем над водой при одной и той же отрицательной температуре[62]. Вследствие разности упругости насыщения над водой и льдом ледяные кристаллы, находящиеся в переохлажденном облаке, оказываются в состоянии пересыщения, что способствует их росту. Запас водяного пара в пространстве, окружающем кристаллы, уменьшается, капли оказываются в состоянии недонасыщения и начинают испаряться. В результате такой «перегонки» водяного пара с капель на кристаллы последние быстро растут и по достижении размеров частиц осадков начинают опускаться под действием силы тяжести, продолжая расти в процессе своего падения за счет коагуляции. Опускаясь ниже нулевой изотермы, ледяные частицы начинают таять и выпадают на землю в виде дождя, снега, крупы или града. Процесс «перегонки» водяного пара в облаке продолжается до тех пор, пока все капли не испарятся или же пока все кристаллы не вырастут до размера частиц осадков и не выпадут из облака.

Такой механизм формирования частиц осадков является физической основой современных методов активных воздействий на переохлажденные облака. Действительно, принимая во внимание, что в большинстве естественных облаков наблюдается недостаток природных ледяных облачных ядер (ЛОЯ), путем внесения в переохлажденную часть облака дополнительных ЛОЯ можно в зависимости от их количества и места введения управлять развитием облаков, т.е. либо повысить эффективность процессов осадкообразования и тем самым получить дополнительные осадки, либо провести интенсивный засев облака кристаллизующими реагентами (организовать «перезасев» облака) и за счет мощного оледенения облака уменьшить или полностью прекратить выпадение из него осадков, или перераспределить зоны выпадения осадков, их интенсивность и количество.

В настоящее время существует две концепции засева облаков льдообразующими реагентами: микрофизическая и динамическая. Микрофизическая (статическая) концепция засева заключается во введении небольшой концентрации льдообразующих ядер в облака, осадкообразование в которых ограниченно из-за недостатка в них естественных ледяных ядер. При этом, при внесении реагента в облако, происходит изменение микрофизических характеристик облака, таких как водность, концентрация и размер частиц, при этом, существенно динамика и размеры облака не меняются. Теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать вывод, что поскольку природные аэрозольные частицы становятся более активными по мере понижения температуры, объектом статического засева могут быть переохлажденные облака, вершины которых имеют температуру выше минус 20 25оС [31,79]. При этом концентрация ледяных ядер для реализации статического засева находится в диапазоне 104 - 1005 част/м3 [106,124,161]. Реализацию возможности статического засева исследовали в ряде рандомизированных проектов по воздействию на конвективные и орографические облака, как за рубежом [5,99,108,111,121,127,128,131,145,148,149,156,157,160, 165,167,168,169], так и в СССР [36,38,39,58,60,78,95]. Анализ результатов указанных выше проектов позволяет сделать вывод о том, что эффект воздействий в значительной мере зависит от характеристик облачности (количества переохлажденной воды в облаках и ее местоположения, от концентрации ледяных кристаллов, от мощности облака и температур на верхней и нижней границах) и диапазон изменения осадков в результате засева облаков может меняться от уменьшения на 60% до увеличения на 200%.

Оценка влияния высоты диспергирования льдообразующего аэрозоля на его распространение в подоблачном слое

Как указывалось выше, при проведении активных воздействий на переохлажденную облачность для получения положительного эффекта воздействия необходимо внесение в неё достаточного количества льдообразующих аэрозольных частиц. Процессы внесения и распространения реагента в облако с помощью противоградовых ракет теоретически достаточно хорошо изучены [2]. Для случаев, когда генерирование льдообразующего аэрозоля производится вблизи поверхности земли, численные модели для описания процесса дальнейшего распространение аэрозоля в атмосфере достаточно хорошо разработаны только применительно к условиям воздействия на приземный туман [88,89]. При воздействии с помощью наземных генераторов на облачность с нижней границей выше 1000 м распространение льдообразующего аэрозоля в атмосфере и достижение им уровня конденсации, после чего возможно воздействие аэрозолем на микрофизические процессы в облаке, зависит от многих факторов. Прежде всего, это зависит от конкретных синоптико-климатических и географических условий в регионе, где планируется проведение активных воздействий. Поэтому при планировании работ необходимо предварительно численно оценить возможность и условия попадания регента в облака для этого конкретного региона.

В общем случае численное моделирование позволяет определить физическую эффективность тех или иных средств воздействия в конкретных условиях, выбрать режимы их работы и разработать оптимальный алгоритм проведения операций по воздействию на облака.

Для изучения распространения аэрозоля в атмосфере от различных наземных генераторов, выбора мест их расположения с учетом орографии местности и синоптических условий была разработана трехмерная численная модель «SeedDisp», которая подробно изложена в работах [48,49,51,73].

«SeedDisp» позволяет проводить численное моделирование переноса реагента в подоблачном слое при АВ на облака с помощью разных типов аэрозольных генераторов, обеспечивающих диспергирование реагента на разных высотах в пограничном слое атмосферы.

В настоящей главе дано краткое описание данной модели и приводятся полученные результаты численных экспериментов по переносу реагентов при работе наземных генераторов и генераторов фейерверочного типа, диспергирующих реагент на разных высотах в приземном слое.

Численная модель «SeedDisp» позволяет рассчитывать перенос реагента в заданном трехмерном поле ветра. Модель разработана для мезомасштабной области размерами по горизонтали от нескольких десятков до нескольких сотен километров и по вертикали включающей всю тропосферу. В модели учитывается рельеф местности. Используются методы расчета, которые применяемые в системе моделирования CALPUFF [158,159].

Трёхмерная разностная сетка модели имеет 101х101х101 узлов. Вертикальная координата Z с учетом рельефа местности определяется как Z = z-ht, (2.1) где z - декартова вертикальная координата (м) и ht - высота рельефа (м). Вертикальная скорость W в Z-системе равна где w – вертикальная скорость воздуха в декартовых координатах (м/с), u и v – горизонтальные составляющие скорости ветра (м/с).

Первым приближением для поля скорости ветра служит трехмерное поле, которое рассчитывается путем интерполяции на узлы сетки радиозондовых данных либо данных численного прогноза или диагноза Поля давления, температуры и влажности для свободной атмосферы определяются аналогичным образом путем интерполяции. Для определения скорости ветра в пограничном слое используются формулы теории подобия Монина-Обухова. Вертикальная скорость в первом приближении рассчитывается по уравнению сохранения массы Эх ду oz где р - плотность воздуха (кг/м3). Набегающий поток из-за неровностей рельефа местности вызывает вертикальные движения воздуха, и иногда возвышенности блокируют поток, заставляя поток их обтекать. Влияние этих факторов на поле скорости ветра учитывается в параметризованном виде [159]. Горизонтальные составляющие скорости ветра оказываются несогласованными с вертикальной составляющей W в смысле сохранения массы по уравнению (2.3). Для согласования составляющих скорости ветра применяется итерационная процедура минимизации дивергенции с помощью уравнения (2.3) [158].

Для расчёта параметров атмосферного пограничного слоя используется метод энергетического баланса [158]. Исходными данными для расчёта служат данные наземных метеорологических наблюдений.

Высота пограничного слоя при различных стратификациях температуры воздуха рассчитывается с помощью процедур, описанных в работах [133,159]. Характеристики турбулентной диффузии в пограничном слое определяются по формулам теории подобия и по эмпирическим формулам [158].

В модели частицы реагента вводятся дискретно во времени в точках расположения генераторов. Введенные порции реагента имеют форму облака частиц с распределением Гаусса для концентрации. Эти отдельные облака переносятся ветром, и турбулентность перемешивает их с окружающим воздухом. Концентрация реагента в некоторой ячейке модели определяется как сумма концентраций в этой ячейке от тех облаков частиц, которые вносят заметный вклад в суммарную концентрацию. Вклад в концентрацию от отдельного облака частиц рассчитывается по формуле [158]: С=gexp[-d2a /(2o-x2)]exp[-dc2/(2о-2)] , (2.4) 2Ж7Х(7 (2тг)72а где С - концентрация реагента в заданной точке(1/м 3;; g - общее количество частиц в облаке; ах - стандартное отклонение (м) распределения Гаусса в направлении вдоль ветра; ау - стандартное отклонение (м) распределения Гаусса в направлении поперек ветра; az - стандартное отклонение (м) распределения Гаусса в вертикальном направлении; da - расстояние (м) от центра облака до заданной точки в направлении вдоль ветра; dc - расстояние (м) от центра облака до заданной точки в направлении поперек ветра; Не - эффективная высота (м) центра облака над подстилающей поверхностью; z - вертикальная координата (м) заданной точки; h - высота (м) пограничного слоя, представляющего собой слой перемешивания.

Формула (2.5) учитывает многократные отражения объемов воздуха с частицами от подстилающей поверхности и верхнего задерживающего слоя в процессе турбулентного перемешивания. Оценки показывают, что максимальное значение п достаточно ограничить п=5.

В формулах (2.4) и (2.5) расширение облака реагента вследствие турбулентного перемешивания с окружающим воздухом описывается зависящими от времени стандартными отклонениями распределения Гаусса ах, ау и az. Они рассчитываются в рамках принятой в модели параметризации турбулентного пограничного слоя.

Методика проведения испытаний на аэродинамическом стенде АО «ЧПО им. В.И. Чапаева»

На первом этапе при разработке экспериментальных методик предполагалось, что основным параметром, определяющим активность аэрозольной частицы, является ее размер. Это предположение основывалось на выводах теории гетерогенной нуклеации льда, разработанной Флетчером в 50-х годах прошлого столетия. В соответствии с этим и разрабатывались экспериментальные методики с применением облачных, термодиффузионных и др. камер [77], обеспечивающих модельные условия нуклеации льда по разным физическим механизмам, которые предполагала теория Флетчера и ее модификации. Для создания условий формирования аэрозолей в динамических условиях разрабатывались методики [135], основанные на применении аэродинамических стендов с разными характеристиками и разного размера. Разработанная в конце 70-х годов численная модель формирования термоконденсационного аэрозоля [137] позволила выявить основные параметры процесса, от которых зависит размер формируемых частиц.

И на основе этих выводов была обоснована необходимость применения экспериментальных методик исследования эффективности именно полноразмерных генераторов и в аэродинамических условиях, максимально приближенных к реальным условиям воздействия. Как указывалось выше, такая методика была разработана и аэродинамический стенд, ее реализующий, функционирует в НПО «Тайфун». Данные по льдообразующей эффективности полноразмерных генераторов, получаемые на стенде, существенно отличались от данных, полученных на микромодельных образцах по методике ЦАО [135]. Наибольшие различия наблюдались в области температур переохлаждения выше минус 10 градусов. При использовании аэродинамического стенда была выявлена существенная роль пересыщений водяного пара на процесс образования ледяных кристаллов при взаимодействии аэрозолей с облачной средой (см. рис.1.6.). Эти экспериментальные данные подтвердили важность размера аэрозольных частиц в процессе нуклеации льда и заставили ввести в экспериментальные методики дополнительный параметр – время нуклеации [42]. Сейчас это звучит так – количество аэрозольных частиц, которые в первые две минуты после их введения в модельное облако привели к образованию ледяных кристаллов. В общем случае это определение некорректно. Следует подчеркнуть, что такие экспериментальные данные были получены в то время, когда в основном использовались пиротехнические составы или растворы с малым содержанием иодида серебра – до 4%. Дальнейшее развитие теории гетерогенной нуклеации показало, что большую роль в эффективности нуклеации льда играют не объемные, а поверхностные характеристики аэрозольной частицы, при этом особую роль играют, так называемые, «активные центры льдообразования», природа которых до настоящего времени не выявлена. Как показали выводы разработанной [136] стохастической теории гетерогенной нуклеации льда, процесс льдообразования происходит на активном центре, имеющем наибольший размер из всех существующих на поверхности. В общем случае число активных льдообразующих частиц в аэрозоле можно записать в виде следующей формулы [42]: С помощью этого уравнения можно учесть основные факторы, определяющие активность льдообразующих аэрозолей: 1 - влажность среды, пороговое влияние которой учитывается посредством функции в(г-г ); 2 - температура среды (переохлаждение), определяющая вероятность нуклеации при выполнении необходимого условия; 3 - дисперсные характеристики аэрозоля, описываемые с помощью f(r), и учитываемые как в в(г-г ), так и в показателе экспоненты, определяющим вероятность нуклеации в адсорбированной пленке; 4 - параметры, описывающие адсорбционные и кристаллизационные (AT50,Sэ и тэ) характеристики поверхности аэрозольных частиц. При этом следует подчеркнуть еще раз важность поверхностных характеристик частицы. Ясно, что при увеличении эффективной поверхности частицы, т.е. при увеличении нуклеационной активности активных центров, роль этих параметров должна усиливаться относительно размерного фактора. Понятно, что повышение содержания реагента в составах или растворах приводит к увеличению содержания реагента на поверхности формируемых частиц и соответственно к увеличению эффективной поверхности.

В последние годы были разработаны пиротехнические составы с высоким содержанием реагента, такие как АД-1 с 8 % AgJ (Россия) [107] и AU с 10,8 % AgJ (Югославия). При горении этих составов формируются аэрозольные частицы с хорошо развитой поверхностью и с большим содержанием активного реагента на ее поверхности. Следовательно, согласно теоретическим выводам, для таких частиц основным параметром льдообразования является не столько их размер, а в большей мере наличие на поверхности крупных активных центров. Фактор размера должен играть еще меньшую роль при использовании новых высокоэффективных реагентов на основе комплексных соединений иодида серебра [44].

Генератор льдообразующего аэрозоля фейерверочного типа

В описанных выше методиках ЦАО и НПО «Тайфун» с целью получения адекватных дисперсных характеристик аэрозолей после выхода парогазовой струи из исследуемого генератора производится быстрое разбавление концентрации аэрозоля. В частности, по методике ЦАО сразу после сгорания состава в аэрозольной камере с помощью вентилятора производится перемешивание образовавшегося аэрозоля с воздухом камеры, и коэффициент разбавления составляет около 10000. При этом масса микромодельного образца подбирается так, чтобы конечная концентрация льдообразующих частиц в аэрозольной камере составляла не более 106-107 част/см3. Аналогично такие же концентрации обеспечиваются и на аэродинамическом стенде НПО «Тайфун» за счет смешения скоростного воздушного потока с парогазовой струей из реального генератора. При этом коэффициент разбавления при минимальной скорости воздушного потока для пиропатрона ПВ-26 составляет около 8х103.

При работе наземного пиротехнического генератора разбавление концентрации аэрозоля происходит значительно медленнее. На рисунке 4.24. представлены фото работающего нового генератора НАГ-07М.

Из анализа геометрических размеров струи за генератором и учитывая, что скорость ветра при этих испытаниях составляла около 1,5 м/с, можно оценить, что через 1 с после выхода струи из генератора и при массовой скорости горения пиросостава примерно 1 г/с коэффициент разбавления начальной концентрации составляет около 100. Т.е. для наземных генераторов процесс разбавления происходит значительно медленнее, чем это имеет место в рассматриваемых выше стандартных методиках. В случае медленного разбавления концентрации аэрозольных льдообразующих частиц увеличиваются их потери за счет более высокой скорости взаимной броуновской коагуляции, что естественно должно привести к уменьшению измеряемой величины выхода по сравнению со значениями выхода, измеренными по другим методикам.

Возможное сильное влияние процесса взаимной коагуляции частиц необходимо также учитывать и при конструировании пироэлементов для наземных генераторов. Для пироэлементов генераторов, которые работают в условиях быстрого разбавления (движущиеся в атмосфере с относительно большой скоростью) в основном применяют диафрагмирование поверхности горения пиротехнического состава, что повышает скорость истечения парогазовой струи из сопла генератора и увеличивает скорость смешения струи с набегающим воздушным потоком. И действительно, как показывают многочисленные результаты измерений по методикам ЦАО и НПО «Тайфун» при диафрагмировании поверхности горения выход частиц примерно на порядок величины выше, чем для случая открытой поверхности горения. Быстрое разбавление концентрации аэрозоля в этих методиках проводит к уменьшению потерь льдообразующих частиц за счет их взаимной броуновской коагуляции. Такая методическая процедура разбавления оправдана, если преследуется цель определения максимального выхода частиц для данного состава или же определения выхода частиц для пиротехнических генераторов в реальных условиях их движения в атмосфере с определенной скоростью.

Для случая наземных пиротехнических генераторов из-за малой скорости ветра на высоте диспергирования реагента, как указывалось выше, процесс разбавления концентрации аэрозоля существенно замедляется и соответственно за счет броуновской коагуляции скорость уменьшения концентрации частиц в струе увеличивается.

В общем случае уменьшение концентрации частиц за счет броуновской коагуляции записывается в виде основного уравнения коагуляции [87]: М = (4 З Ї 1 + K N0 t } здесь No - начальная концентрация частиц на срезе сопла пироэлемента, N -текущая концентрация, К - константа коагуляции, t -время. Полагая, что радиус льдообразующей частицы составляет около 10–6 см, то согласно результатам экспериментальных измерений [87] константа коагуляции для частиц такого размера составляет К= 4х10-10 см3/сек.

На рисунке 4.25. приведены результаты оценочного расчета падения во времени концентрации аэрозоля (и соответственно выхода частиц) для случая наземного пиротехнического генератора при разных начальных концентрациях частиц на срезе сопла пироэлемента.

Как видно из данных рисунка 4.25, основное падение концентрации происходит в течение первых 0,5 с, когда концентрация частиц уменьшается на много порядков величины. Как указывалось выше, для пиротехнических генераторов, используемых в условиях быстрого разбавления начальной концентрации, применение диафрагмирования поверхности горения увеличивает общий выход

льдообразующих частиц на порядок величины. Для дальнейшего расчета примем, что для AgJ величина выхода составляет 1014 част/г, а для случая открытой поверхности горения – 1013 част/г. Полагая, что при сгорании 1 грамма пиротехнического состава образуется 1000 см3 газов, то начальные концентрации N0 льдообразующих частиц на срезе сопла пироэлемента составят для этих случаев составят 1011 част/см3 и 1010 част/см3 соответственно. Подставляя эти значения в формулу (4.3) и учитывая малую скорость разбавления при работе наземного генератора получим, что, например, через 1 секунду после выхода струи из сопла текущая концентрация для наземного генератора с диафрагмированным пироэлементом составит Nd = 2,493х108 част/см3, а в случае применения аэрозольных генераторов без диафрагмирования она составит – Nбез d = 2,439х108 част/см3. Т.е. в случае наземных генераторов концентрации аэрозолей для двух рассматриваемых случаев практически выравниваются в течение менее 117 секунды. Дальнейшее уменьшение концентраций льдообразующих частиц в струе за генератором за счет взаимной коагуляции и перемешивания с внешним воздухом в обоих случаях идет по количественно одинаковым кривым. Поэтому для наземных генераторов применение диафрагмирования не приводит к увеличению конечного выхода льдообразующих частиц, а лишь усложняет и удорожает его конструкцию.