УДК 551.509.615,001.572
Моделирование процесса искусственного рассеяния теплых туманов нагретыми струями
Н. Ю. Банкова*, Л. И. Красновская*, Б. Н. Сергеев*» А. А, Черников*
Рассматривается современное состояние разработки термокинетических способов рассеяния теплых туманов. Предложена численная модель процесса искусственного рассеяния теплых туманов с помощью нагретых струй, позволяющая связать параметры струи (начальную скорость потока в струе и перегрев относительно окружающей среды) с характеристиками зоны просветления в тумане. Приводятся результаты численных экспериментов по исследованию влияния параметров струи на конфигурацию зоны рассеяния и условия видимости в ней. С помощью численных экспериментов исследуется эффект взаимного влияния струй от нескольких термокинетических генераторов при разном расположении их относительно друг друга.
Введение
Среди явлений погоды, вносящих существенные нарушения в работу всех видов транспорта, одно из первых мест занимают туманы. В большинстве случаев туманы являются причиной нарушения регулярности авиарейсов. Из-за туманов происходит значительное число аварий, сопровождающихся человеческими жертвами, и на скоростных автомагистралях.
Переохлажденные туманы давно и успешно рассеиваются, но они составляют менее 5% общего количества часов с туманами на земном шаре [11]. В связи с этим наиболее актуальной задачей в борьбе с туманами в настоящее время является разработка экономичных, экологически безопасных и эффективных способов рассеяния теплых туманов.
Исследования, направленные на создание способов рассеяния теплых туманов, проводятся в мире уже более 60 лет. Основная направленность этих исследований — создание оперативных систем для рассеяния туманов в аэропортах и на военно-воздушных базах. Уже к началу 1970-х годов были созданы пригодные для оперативного применения тепловые способы рассеяния туманов, но они не получили широкого распространения из-за большой стоимости и ряда существенных для практического использования недостатков.
В последние годы за рубежом, наряду с авиацией, интерес к рассеянию теплых туманов проявляют автодорожные службы. Для автодорог требования к характеристикам зоны искусственного рассеяния значительно ниже, что позволяет надеяться, что, используя опыт применения тепловых мето-
* Центральная аэрологическая обсерватория.
дов в аэропортах, можно разработать сравнительно недорогие и эффективные системы для рассеяния туманов на особо туманоопасных участках автодорог, на многоярусных развязках и пунктах оплаты проезда.
В данной работе излагаются результаты первого этапа создания такого метода — разработки численной модели как инструмента исследования свойств тепловых систем для рассеяния туманов на автодорогах, а также ее апробирования.
1. Состояние разработки тепловых методов рассеяния теплых туманов
Для рассеяния теплых туманов были предложены и испытаны разные способы [7]. Среди них: продувка больших масс воздуха через экран из мелкоячеистой сетки, разбрызгивание в слое тумана крупных капель воды, распыление в верхней части слоя тумана сажи, электризация капель тумана, воздействие на туман ультразвуком, механическое перемешивание теплых и сухих верхних слоев воздуха со слоем тумана, распыление гигроскопических веществ, применение различных устройств для нагревания воздуха. В результате проведенных испытаний установлено, что наиболее перспективными являются способы, связанные с непосредственным нагреванием определенного объема тумана.
Первые тепловые системы для рассеяния теплых туманов были применены в Англии во время Второй мировой войны. В них в качестве источника нагревания воздуха были использованы горелки простой конструкции, в которых сжигалось авиационное топливо. Прототипом этого способа является система ФИДО (Fog Investigation Dispersion Operation) [8], которая в 1943—1945 гг. использовалась на 15 аэродромах. Несмотря на большие проблемы, связанные с ее использованием (большой расход топлива, задымление взлетно-посадочной полосы, ненадежность системы зажигания), она обеспечила посадку 2500 военных самолетов.
В дальнейшем, в период с 1946 по 1950 г. этот способ рассеяния туманов совершенствовался на базе ВВС США Арката в Калифорнии [2]. Были усовершенствованы конструкция горелок и способ управления ими. Использовалось более дешевое дизельное топливо. Положительные результаты испытаний позволили рекомендовать этот способ рассеяния тумана для применения в международном аэропорту Лос-Анджелеса. Оперативное использование этой системы продолжалось с 1949 по 1953 г. В дальнейшем аэропорт отказался от ее применения, признав очень дорогой и недостаточно эффективной.
Несмотря на неудачи при оперативном использовании тепловых систем, основанных на использовании горелок, работы по их усовершенствованию продолжались в 1960-е годы в США и Японии [5, 6, 9]. Параллельно с усовершенствованием метода рассеяния теплых туманов, основанного на использовании горелок, с 1950-х годов в США и во Франции начало развиваться новое направление — создание тепловых систем на базе реактивных двигателей. Впервые такой способ рассеяния тумана был использован в США на базе ВВС Арката в Калифорнии [2]. В экспериментах использовался турбореактивный двигатель J-33. Тепловая производительность двигателя составляла 7,5-107 кал/ч. В результате эксперимента была
очищена от тумана область длиной 300 м и высотой 100—150 м. Положительные результаты испытаний этого метода позволили рекомендовать его для практического использования. В 1950—1951 гг. испытания системы, основанной на использовании реактивных двигателей, были проведены на Аляске. Воздействие производилось на ледяные туманы при низких температурах. Результаты испытаний оказались отрицательными, и работы по созданию систем для рассеяния туманов с использованием реактивных двигателей в США были прекращены.
Интерес к использованию реактивных двигателей для рассеяния теплых туманов возник снова лишь в 1958 г., когда было показано, что они могут быть эффективно применены для воздействия на жидкокапельные туманы при положительных температурах. В 1959 г. во Франции начались эксперименты с реактивным двигателем ATAR-101D [15]. Теплопроизво-дительность этого двигателя в 5 раз меньше, чем у использовавшегося в американских системах. С помощью этого двигателя была получена зона рассеяния длиной 175—200 м и шириной 90—100 м. Полностью очищенная от тумана зона наблюдалась до высоты 3—4 м. Выше находилась тур-булизированная смешанная зона. В течение 10 лет в аэропорту Орли на базе реактивных двигателей была создана пригодная для оперативного применения система для рассеяния теплых туманов "Турбоклер", позволяющая производить посадку по требованиям II категории ИКАО. Оперативная система в Орли состояла из 8—12 реактивных двигателей типа ATAR-101D, установленных с двух сторон взлетно-посадочной полосы (ВПП) на расстоянии 46 л< от центральной линии. Расстояние между двигателями 80 м. Скорость струи на выходе 500 м/с, температура 500°С. Размер раскрытой зоны вдоль линии генераторов составлял 600 м при использовании восьми генераторов или 1200 м, если система состояла из 12 генераторов. Высота раскрываемой зоны 40 м. Дальность видимости по глиссаде не менее 450 м. Время образования раскрытой зоны на ВПП 5 мин. Впоследствии аналогичная система была установлена также в аэропорту им. Шарля де Голля.
Использование в качестве источников тепла реактивных двигателей позволяет получить более равномерное распределение тепла на ВПП. Можно также скорректировать влияние изменения направления и скорости ветра с помощью выбора соответствующего направления струи, однако существенным недостатком таких систем является сильная турбулентность, создаваемая в нижнем 15-метровом слое, что осложняет посадку легких самолетов.
Как видно из приведенного анализа, к 1970 г. оба направления разработки тепловых способов рассеяния теплых туманов были доведены или до стадии практического использования, или до полевых испытаний, и показали возможность использования их в аэропортах в качестве наземных систем. Однако, как известно, широкого распространения они не получили из-за дороговизны и других недостатков, указанных выше.
Тепловой метод рассеяния туманов при положительной температуре развивается и в России, но применительно к автодорогам и вертолетным площадкам. В связи с тем, что натурные эксперименты по рассеиванию туманов с помощью нагретых струй очень дороги, для разработки техниче-50
ских требований к системам для рассеяния теплых туманов на автодорогах и методики их применения основным средством должно стать численное моделирование. В настоящее время, благодаря совершенствованию вычислительной техники, появилась возможность создания численных моделей процесса воздействия на туман нагретыми струями, позволяющих исследовать связь между теплотворной способностью нагревательного источника, параметрами струй и характеристиками зоны рассеяния.
В данной работе излагаются результаты разработки численной модели и ее апробирования в качестве инструмента исследования свойств тепловых систем для рассеяния туманов на автодорогах.
2. Численная модель
Моделирование распространения струй нагретого воздуха в тумане выполнено с помощью численной трехмерной гидродинамической модели для ограниченной области атмосферы вблизи земной поверхности. Модель основана на системе уравнений гидротермодинамики атмосферных процессов, включающей уравнения движения, неразрывности и уравнения переноса тепла, водяного пара и воды в виде капель тумана. Входящие в уравнения зависимые переменные — составляющие скорости воздуха и, (/ = 1, 2, 3), плотность р, температура в, давление р и удельное влагосо-держание воздуха д представлены в виде суммы фоновых значений, зависящих только от высоты г, и возмущений: / = /(г) + /'(х, у, г, /), где х, у — горизонтальные координаты, I — время. В модели использованы фоновые вертикальные распределения величин, равные распределениям для горизонтально однородного пограничного слоя атмосферы при разных скоростях ветра и температурах. Уравнен
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.