ИССЛЕДОВАНИЯ В АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ТРУБАХ

7.8. ИССЛЕДОВАНИЯ В АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ТРУБАХ

Исследования в аэродинамической трубе рассеяния плавучих и нейтрально-плавучих струй развивались долго и успешно. Результаты моделирования хорошо согласуются с данными, полученными при анализе реальных ситуаций. В подтверждение этого можно привести работы [Turner.1973;

На11,1982а]. Однако, даже если исходить из фундаментальных физических закономерностей, далеко не очевидно, что результаты моделирования в аэродинамической трубе выбросов тяжелого газа будут настолько же удачно и хорошо переносимы на натуру. По причинам, обсуждаемым ниже, в аэродинамических трубах не удается с достаточной степенью надежности моделировать реальные системы. Поэтому сейчас из-за отсутствия доказательств применимости результатов моделирования в трубах ими нельзя заменить дорогие полномасштабные исследования. Такая возможность появится тогда, когда удастся существенно снизить вклад тех факторов, которые не поддаются моделированию. С этой целью в программу Управления по охране здоровья и промышленной безопасности включены и натурные исследования, и проведение экспериментов в аэродинамической трубе. Сделано это для того, чтобы уже сейчас оценить, с какой степенью достоверности можно будет предсказывать поведение натурных разлитии на основе только лишь экспериментов в аэродинамической трубе.

Надо отметить, что в аэродинамической трубе пока не удается воспроизвести условия, соответствующие неустойчивым состояниям атмосферы по классификации Паскуилла. Правда, как полагают, такие условия, оказывают незначительное влияние на поведение облака в фазе гравитационного опускания, и, по-видимому, они не столь уж существенны по сравнению с другими.

7.8.2. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАССЕЯНИЯ ТЯЖЕЛОГО ГАЗА В АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ В УОРРЕН-СПРИНГ

Эксперименты в аэродинамической трубе по имитации рассеяния тяжелого газа, проведенные в Отделе загрязнения атмосферы Лаборатории Уоррен-Спринг (Стивнадж, Великобритания),описаны в отчетах [На11,1974; 1982а; 1979; 1979а;

1982]. Вторая из этого ряда работ посвящена сравнению результатов экспериментов в аэродинамической трубе с результатами, полученными при исследованиях в Портоне, и поэтому наиболее удобна для подведения итогов. К тому же она содержит обзор работ по моделированию в аэродинамических трубах.

7.8.3. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ В

АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ТРУБАХ

Моделирование в аэродинамической трубе базируется на теории пограничного слоя, предмет которой обстоятельно излагается в литературе (см., например, [Schlichtihg,1968]). Эти эксперименты являются ярким примером "модельных исследований", теоретические основы которых представлены в работах [Johnstone,1957; Langhaar.1951]. В этих работах моделирование разбивается на два класса:

1. Физически подобное моделирование. Если говорить об изучаемых характеристиках, то в этом случае моделируемый объект и модель различаются только масштабом. С помощью масштаба приводятся в соответствие физические свойства моделируемого объекта и отражающие их параметры модели. Такими свойствами могут быть длина, масса или вязкость. Топографическая карта - хороший пример физически подобной модели. Рассмотрим широко известное издание, в котором территория нанесена на карту в линейном масштабе 1:500 000. Модель (карта) - это плоскость, тогда как моделируемый объект (территория) - искривленная часть земной поверхности. Иначе говоря, карта - это двумерная модель трехмерного объекта моделирования. Хотя линейные размеры относятся как 1 к 50 000, размеры площадей находятся в соотношении 1: 50 0002, что демонстрирует невозможность одновременного моделирования в одном и том же масштабе всех характеристик объекта.

2. Физически неподобное моделирование. Здесь в качестве модели выступает система математических уравнений (хотя возможны и другие формы модели, например электрическая схема). Конечная цель моделирования в аэродинамических трубах - получение физически неподобной модели, системы математических уравнений, с помощью которой можно предсказывать реальное поведение моделируемого объекта. Уравнения системы выводятся на основе экспериментальных работ, выполненных на физически подобной модели.
7.8.4. ЗНАЧЕНИЕ БЕЗРАЗМЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Использование безразмерных параметров при обработке экспериментальных данных широко обсуждается в работах [Johnstone,1957;

Langhaai-,1951; Perry,1973]. На основе этих и других работ можно заключить, что при проведении экспериментов в аэродинамических трубах важны следующие параметры: размер облака газа Lх Lу, Lz м; плотность выброшенного газа рg кг/м3; плотность воздуха ра, кг/м3; кинематическая вязкость воздуха μ кг/м2; скорость ветра u, м/с; время Т, с; ускорение силы тяжести g, м/с2. Анализ размерностей показывает, что существенны следующие безразмерные комбинации:

	число Рейнольдса Re
	число Фруда Fr

(Pg-Ра)/Ра- плотностное число D

При низких значениях Re возможность использования аэродинамической трубы становится проблематичной. В связи с этим возникают трудности с пересчетом числа Рейнольдса. В тех случаях, когда поток полностью турбулентный (Re≥40000), удается избежать этих трудностей.

Подобные проблемы существуют и с выбором числа Фруда, поскольку оно определяет, что скорость потока должна уменьшаться пропорционально L, и, таким образом, прототипная скорость ветра 2 м/с в модели с масштабом 1/200 будет равна 0,14 м/с. Работать с такой низкой скоростью потока в трубе очень неудобно.

Получить необходимое соответствие между моделью и прототипом удалось посредством ввода в рассмотрение числа Ричардсона Ri - отношения плотностного числа к числу Фруда (см. [Schlichting,1968; Richardson,1920]) :

Ri = D/Fr

Это означает, что эксперименты в аэродинамической трубе могут проводиться при скоростях потока, более высоких чем те, которые следовало бы выбирать, если использовать число Фруда в качестве определяющего масштаб параметра. Однако при этом модель будет строго применима только для внешних областей облака, где D близко к 0. Это приближение известно как "приближение Буссинеска" (см. [Turner,1973]).

В тех случаях, когда u = 0 (воздух неподвижен), используется характерный масштаб времени. Число Ричардсона тогда принимает следующий вид :

В УОРРЕН-СПРИНГ

Для исследований использовалась аэродинамическая труба № 1 в Лаборатории Уоррен-Спринг (Стивнадж), имеющая размеры: длина - 22 м, высота - 1,5 м и ширина - 4,3 м. Моделирование на этой трубе исследований, проведенных в Портоне, производилось в масштабе 1:25. В соответствии с масштабом была сделана и модель источника - разрушающегося пластикового объема. В качестве тяжелого газа служил хладагент фреон-12 В1 (брутто-формула CClBrF2), применяемый при тушении огня. Плотность этого газа относительно воздуха -5,74. При исследованиях его смешивали с воздухом в такой пропорции, чтобы значение D лежало в пределах 0,3 - 2,56. Для проведения фотосъемки газ окрашивали дымом.

Для задания величины z0 (высота аэродинамической шероховатости) использовались винты с головками, образующими треугольную сетку с шагом 50 мм. Таким образом, высота шероховатости составляла 2 мм, что соответствовало Z0 = 100 мм при исследованиях в Портон-Дауне. При моделировании одного из исследований в трубе имелся участок с наклоном вверх в отношении 1:13.

В отчете [На11,1982а], где сравниваются результаты шести экспериментов в Портон-Дауне с результатами, полученными при моделирования этих же экспериментов в аэродинамической трубе, сделаны следующие выводы:

1. По размерам и форме облако газа в модели соответствовало моделируемому облаку согласно выбранному масштабу.

2. Модельные скорости распространения облака и время перемещения хорошо согласуются с прототипными.

3. Сравнение концентраций показало, что в некоторых случаях результаты хорошо согласуются друг с другом, а в некоторых - плохо.