УДК 504.3.054
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА АССИМИЛЯЦИИ АТМОСФЕРОЙ ТОКСИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ КОТЛА
К. А. Куфтырев, инженер-проектировщик,
kuftyrev.konstantin@bt-comfort.ru,
Д. В. Королев, главный специалист,
korolev.dmitry@bt-comfort.ru,
ЗАО «БЮРО ТЕХНИКИ»»
Средствами вычислительной гидродинамики выполнено прогнозное исследование распространения дымовых газов в атмосфере от дымовых труб условных котельных малой мощности. Проведена верификация используемого программного комплекса STAR-CCM+ на примере решения двухмерной задачи распространения вредных веществ в атмосфере от точечного источника, для которого известно аналитическое решение. При исследовании отдельно стоящей дымовой трубы при различных скоростях ветра установлено, что влияние значения скорости ветра на распределение максимальных концентраций вредных веществ в дымовом факеле в зависимости от расстояния до трубы незначительно. Предложен метод, позволяющий снизить экологическую опасность относительно низких дымовых труб, заключающийся в установке внешних осевых вентиляторов вдоль дымовой трубы. По результатам расчета определены поля концентраций токсичных веществ (CO, NO и NO2) и определена дальность распространения дымовых газов. Показано, что установка дополнительных вентиляторов на дымовые трубы в значительной степени интенсифицирует процесс турбулентного смешения вредных веществ с окружающим воздухом, что позволяет значительно уменьшить длину дымового факела.
By means of computational fluid dynamics a forecast study of the spread of the flue gases in the atmosphere from chimney stacks of conditional boilers of small capacity is carried out. Verification of the STAR-CCM+ software by solving a two dimensional problem of the distribution of harmful substances in the atmosphere from a point source, for which analytical solution is known, is conducted. In the study of a free-standing chimney stack at different wind speeds it is found out that the impact of wind speed on the distribution of the maximum concentrations of harmful substances in the flue plume depending on the distance from the chimney stack is slight. We propose a method which allows us to reduce the environmental risk of relatively low chimney stacks, which consists in installing external axial fans along the stacks. According to the results of the calculation, the fields of concentrations of toxic substances (CO, NO and NO2) and the range of flue gases are defined. It is shown that the installation of additional fans on chimney stacks greatly intensifies the process of turbulent mixing the hazardous substances with air that can significantly reduce the length of the flue plume.
Ключевые слова: численное моделирование, загрязнение атмосферы, дымовые трубы, длина дымового факела, турбулентное смешение.
Keywords: numerical simulation, atmospheric pollution, chimney stacks, length of the flue plume, turbulent mixing.
Введение. Процесс проектирования дымовых труб, прежде всего, должен вестись на исполнении требований норм экологической безопасности. Особо остро вопрос экологической безопасности стоит при расположении дымовых труб в населенных пунктах с плотной застройкой. В связи с этим требования к определению санитарно-защитной зоны и к уровню качества атмосферного воздуха в жилой зоне должны определяться в соответствии с нормативными документами. Применение современных наукоемких технологий СГБ моделирования позволяет наиболее точно спрогнозировать распространение дымового следа, с целью определения области возможного превышения ПДК.
Помимо подхода, основанного на полном разрешении аэродинамики потоков (СГБ), учитывающего влияние местных объектов (домов или рельефа поверхности земли), существует целый перечень иных алгоритмов, используемых для оценки загрязнения атмосферы. Выбор того или иного алгоритма определяется прежде всего его способностью разрешить задачу, стоящую перед экологами и инженерами, а также точностью моделирования. Некоторые из этих моделей представлены ниже [1]:
1. Штатные модели служб ГО. Как правило, стандартная методика, основанная на эмпирических моделях. Используется для расчета наихудшего прогноза.
2. Модели, основанные на ОНД-86. Модель в большей степени также является эмпирической, пригодной для анализа квазистационарных процессов [2].
3. Модели МАГАТЭ. Наиболее полная из существующих эмпирических моделей для расчетов загрязнения атмосферы, создаваемого отдельными источниками.
4. Простейшие нестационарные модели на основе моделей МАГАТЭ. Позволяют рассчитать траекторию загрязняющего облака до потери его токсичности.
5. Наиболее полные и совершенные нестационарные модели распространения загрязняющих веществ в атмосфере, в которые включены расчеты мезометеороло-гических характеристик атмосферы с учетом орографии. Такие модели используются для крупномасштабных исследований загрязнения атмосферы с целью расчета трансграничного переноса загрязняющих веществ [3] (например, "№КГ/СМАО).
Целесообразность применения математического моделирования в решении вопроса расположения и высотности дымовых труб объясняется высокой степенью
точности технологии СГБ моделирования, которая в мировой практике неоднократно помогала на стадии проектирования найти оптимальное решение поставленных проблем [4]. Математическая модель способна с достаточной степенью точности рассчитать распространение дымового факела трубы, учесть влияние возможных близлежащих построек, влияющих на направление течения. Единственный фактор, который при использовании данного метода трудно точно прогнозировать, — это влияние выпадения осадков на значение концентраций вредных веществ в атмосфере. В условиях данной задачи этот эффект учитывать не требуется. Изучению процесса распространения дымового факела от труб посвящен достаточно большой объем как экспериментальных, так и теоретических работ.
В работе [5] представлено экспериментальное исследование динамики вертикальной струи, выходящей из вертикального патрубка, имитирующего дымовую трубу, в условиях бокового ветра. Исследование проводилось в аэродинамической трубе, размеры рабочей зоны которой составляют 300 х 300 х 1100 см. Длина исследуемой трубы 56 мм, внутренний диаметр трубы 5 мм, внешний диаметр трубы 6,4 мм. Установлено четыре режима распространения дымового факела из трубы. Все эти режимы характеризуются отношением скоростного напора струи от трубы к скоростному
напору ветрового потока Я =
2
Р 1и1
2
РЮ1П(1иЮ1П(1
Ско-
В работе [7] представлены результаты численного моделирования динамики распространения дымовых газов от тандема дымовых труб, расположенных в ряд. Установлено, что динамика струи от первой трубы в ряду аналогична как для одиночной дымовой трубы. Для остальных труб установлено увеличение эффективной высоты их дымовых факелов. При этом отмечается, что расположение дымовых труб в тандеме увеличивает эффективность смешения дымовых газов с атмосферным воздухом.
В данной работе исследовалось влияние работы осевых вентиляторов на скорость ассимиляции токсичных газов в атмосфере. Исходная гипотеза, основанная на качественном анализе течений в дымовом факеле, говорит об ожидаемом интенсивном турбулентном смешении токсичных компонентов с атмосферным воздухом за счет принудительной подачи воздуха к устью дымового факела. Протяженность факела дымовых газов определялась по значению массовой концентрации рассматриваемых вредных веществ. Считается, что факел полностью рассеивается, если на каком-то расстоянии массовая концентрация вещества снижается ниже значения ПДК максимальной разовой [8].
Метод решения. Исследуется трехмерное турбулентное течение дымовых газов из одиночной трубы в условиях действия бокового ветра. Для описания трехмерного турбулентного течения численно решалась осредненная по времени система уравнений Навье-Стокса и уравнения неразрывности:
рость ветра во всех режимах одинакова и равна 10 м/с. На некотором расстоянии от трубы, зависящем от скорости ветра, существует область бифуркаций, возникающая вследствие обтекания дымовой трубы ветром. Установлено, что при Я < 1 часть дымового факела увлекается спутным потоком от дымовой трубы и распространяется в приземный слой. При Я > 1 импульс дымовой струи достаточно большой, чтобы набрать необходимую высоту и уйти от влияния бифуркационной области.
В работе [6] представлены результаты численного моделирования дымового факела от одиночной дымовой трубы, в сечении представляющей собой квадрат. Подтверждено, что сложная динамика потока за трубой влияет на поле концентраций дымовых газов. Возможны варианты, когда дымовой факел от трубы, попадая в область спутного потока, быстро спадает в приземную зону, создавая определенные угрозы.
др и . + др и, и .
дР , дтц
дí
др к дí
дР д*
, = - др + дх + рЯ (1.1)
дх, дх. дх,
] 1 ]
+
дри,к = д ц дк
дХ]
д х, Рг дх, '
+
дри
дх,
] =
= 0.
(1.2)
(1.3)
Здесь ц — коэффициент динамической вязкости; к — энтальпия газовой смеси; Рг — критерий Прандтля; т, — тензор сдвиговых напряжений; ря. — объемные силы тяжести; и. и Р — осредненные по времени компоненты скорости и давление соответственно.
Закон сохранения массы также должен быть записан для массовой доли каждого из веществ:
~ ( (
дрУт , дри,Уг
дí
+
=
дх,
д х,
а + :
vt 1 дУт
Рг
дх]
.(1.4)
Здесь т — обозначение компонента смеси; массовая доля компонента т;
у _
± т
Р
V, \дУт
Рг
а +--I--диффузионный массовый по-
ток компонента т в направлении оси х^-; V, — коэффициент кинетической турбулентной вязкости; а = —--коэффициент термодиффузии.
Рг
Энтальпия единицы массы смеси выражается через массовые доли компонентов и энтальпию каждого из компонентов:
(
л = I у с
Л
А + 1 СРа ( Т )
(1.5)
у
Р0 = ярт I М
а* С Ма
(1.6)
Граничные условия
Величина Значение
Граничные условия на срезе трубы
Общий массовый расход дымовых газов, 1,8870
кг/с (~8 м/с)
Интенсивность турбулентности, % 10
Массовая доля Н2О, кг/кг 0,1089
СО2, кг/кг 0,1329
О2, кг/кг 0,0279
N2, кг/кг 0,7300
N0, кг/кг 1,217е-05
N02, кг/кг 7,481е-05
СО, кг/кг 1,383е-04
Гран
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.