Вадим Романов - Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу

В общем случае важнейшими этапами аналитического моделирования является формирование концепции модели и составление уравнений, описывающих поведение системы; при этом происходит упрощение реальности, которое, однако, не должно влиять на наиболее существенные свойства реальной системы. Затем идет параметризация, т. е. определение количественных значений параметров. Осуществление этой задачи возможно тремя способами:

— получением предварительных оценок значений параметров на основе наблюдений;

— нахождением комбинаций параметров, отвечающих моделируемой ситуации, базирующимся на методах оптимизации параметров;

— оценкой роли параметров модели с помощью анализа чувствительности, целью которого является определение того, как модель реагирует на изменение значений параметров и, как следствие, того, насколько правильно оценены параметры.

Следующий шаг аналитического моделирования — имитация, т. е. получение с помощью ЭВМ решения модельных уравнений при фиксированных значениях параметров и начальных условиях. И, наконец, испытание модели или, другими словами, ее верификация — сравнение ее выходных параметров с выходными данными системы.

Различают два способа испытания: проверка самой модели, состоящая в качественном или количественном сравнение данных, полученных в результате моделирования, с действительными значениями и проверка значимости модели — проведение экспериментов для изучения поведения модели и системы с целью обнаружения их сходства, а также для сравнения тенденций поведения модели и системы. Выделяется также адаптивное моделирование, при котором происходит автоматическая адаптация модели к системе с помощью ЭВМ.

Ниже в качестве примеров построения математических моделей атмосферных выбросов приводятся некоторые наиболее простые и достаточно эффективные разработки. Они на сегодняшний день получили всеобщее признание, и на их основе, очевидно, могут успешно разрабатываться многочисленные вариации конкретных нештатных ситуаций и опасных аварийных явлений.

Выбросы химических и радиоактивных веществ в виде струй являются наиболее распространенными источниками загрязнений природной среды. Такие выбросы возникают практически на любом промышленном предприятии или заводе, при работе транспорта и в быту. Широко распространенными являются аварийные струйные выбросы. Знание газодинамических, геометрических и концентрационных характеристик струй является необходимым условием для составления правильного прогноза возможного загрязнения окружающей среды при их истечении.

Поведение струи газа, истекающей в спокойную среду или спутный поток, изучалось в течение длительного времени, в результате чего были созданы разнообразные методы расчета газодинамических параметров струйных течений. Отличия в условиях истечения струй, а также в параметрах среды, в которых они реализуются, приводит к тому, что разработать единую математическую модель, охватывающую все встречающиеся на практике случаи, крайне затруднительно. Как правило, математические модели и инженерные методы расчета охватывают сравнительно узкие классы струйных течений, при этом в них широко используются эмпирические зависимости. Применение эмпирических соотношений позволяет получить хорошее согласие между расчетными и экспериментальными значениями, однако их обобщение на другие типы струйных течений затруднительно или вообще невозможно.

Наиболее многочисленную группу математических моделей и инженерных методов расчета составляют работы, связанные с осесимметричными газовыми струями в спокойной среде или спутном газовом потоке. Среди этих работ следует выделить монографии Г.Н. Абрамовича [91, 92], Вулиса А.С. [93, 94], Голубева В.А. [95], Шетца Дж. [97] и Гиневского А.С. [99].

Изучению затопленых струй посвящено большое количество работ [95–99]. Однако они, как правило, используют не всегда корректно полученные уравнения относительно одного или двух макроскопических параметров среды (например, массы примеси и (или) количества движения). Кроме того, их авторы в большинстве исследований ограничиваются рассмотрением течений в лабораторных условиях и не учитывают изменений макроскопических характеристик среды с высотой. Как показывает опыт, неучет реальных метеоусловий может привести к существенным ошибкам в вычислении динамических, тепловых и геометрических характеристик струи.