Національна академія природоохоронного та курортного будівництва

ЛІСНЯК ВОЛОДИМИР МИХАЙЛОВИЧ

УДК 519.6

ПІДВИЩЕННЯ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ ПРИ АВАРІЙНИХ

ВИКИДАХ ТОКСИЧНИХ РЕЧОВИН

Спеціальність 21.06.01 – Екологічна безпека

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Сімферополь – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв’язку України.

Науковий керівник: - доктор технічних наук, професор

Біляєв Микола Миколайович,

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв’язку України, завідувач кафедри “Гідравліка та водопостачання”.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор

Стоянов Володимир Устинович,

Національна академія природоохоронного та курортного будівництва, завідувач кафедри “Цивільна оборона та військова підготовка”.

- доктор технічних наук, професор

Колесник Валерій Євгенійович,

Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), професор кафедри “Екологія”.

Захист відбудеться 02.11.2007 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 52.079.03 Національної академії природоохоронного та курортного будівництва, за адресою: Україна, 95006, м. Сімферополь, вул. Павленко, 5, 2-й навчальний корпус, зал засідань ради. З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної академії природоохоронного та курортного будівництва за адресою: Україна, 95006, м. Сімферополь, вул. Павленко, 5, 2-й навчальний корпус.

Автореферат розісланий 28.09. 2007р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент Пашенцев О.І.

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Останні роки характеризуються зростанням ризику техногенних аварій, що приводять до хімічного забруднення навколишнього середовища. Прикладом такої аварії є аварія на Львівській залізниці 16 липня 2007 року (біля с. Ожидів), коли зійшло з рейок 15 цистерн і відбулося масштабне забруднення навколишнього середовища продуктами горіння жовтого фосфору, що привело до токсичного ураження людей (у зоні ураження продуктами горіння цієї отрути опинилися 11 тисяч місцевих жителів). Рівень ризику техногенних аварій на залізницях України залишається вкрай високим. Так наприклад в Україні, тільки у першому півріччі 2007 р. відбулося 378 залізничних аварій. Захист населення при міграції токсичних речовин (ТР), у випадку аварії, - одна з найважливіших задач. Складність її технічного рішення обумовлена міграцією ТР під дією вітру, атмосферної дифузії, тобто некерованих процесів, які з часом змінюються. Ефективність захисних заходів направлених на нейтралізацію ТР в атмосфері в значній мірі визначатиметься не тільки кількістю і технічними можливостями використовуваних засобів, але і стратегією їх застосування з урахуванням конкретної специфіки аварії, метеорологічних умов і т.д. Аналіз літературних джерел, присвячених аварійно-рятівним роботам показав, що в даний час, застосовані на практиці інженерні методи захисту атмосфери (подача нейтралізаторів від пожежних машин, гелікоптерів, літаків) застосовуються без необхідного теоретичного обґрунтування. Існуючі розрахункові методи, які застосовуються при рішенні задач цивільної оборони, не дозволяють обґрунтовувати ефективне використання технічних засобів аварійно-рятівних бригад. Ці методи не можуть бути використані для розробки науково обґрунтованої стратегії боротьби з мігруючою токсичною речовиною залежно від конкретних метеорологічних умов, параметрів технічних установок, вживаних в системі цивільної оборони і т.д. Дуже важливо перейти від загальних рекомендацій і міркувань по захисту атмосфери від забруднення при міграції ТР до методів їх математичного опису з урахуванням сучасних досягнень у області комп'ютерного моделювання процесів масопереносу, щоб розробити комплексну, науково обґрунтовану стратегію по захисту атмосфери від забруднення при техногенних аваріях. Розробити таку стратегію, шляхом використання фізичного експерименту – неможливо, через велику кількість сценаріїв аварій, різних метеорологічних умов та різних варіантів організації системи захисту. Актуальною є науково-прикладна задача створення гнучких інформативних багатофакторних моделей і методів розрахунку переносу ТР в атмосфері при аваріях для прогнозування людських втрат і організації ефективного захисту населення від ураження.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконувалася в рамках галузевої програми “Охорона навколишнього природного середовища на залізничному транспорті України на 1997 – 2006 роки” (затверджено наказом Укрзалізниці від 2 липня 1997 р., №159–У).

Мета дослідження. Метою роботи є підвищення екологічної безпеки при аварійних викидах токсичних речовин в атмосферу на основі моделювання процесу міграції хмари або шлейфу токсичного газу в атмосфері і визначення параметрів ефективного захисту атмосфери від забруднення. Ідея роботи полягає в використанні результатів математичного моделювання та чисельного експерименту процесів розповсюдження ТР в атмосфері та відповідних інгібуючих речовин чи струменів, котрі подаються для нейтралізації з мобільних засобів, що у сукупності дозволяє системно, науково обґрунтовано і ефективно знешкодити забруднення.

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

· побудувати математичні моделі процесу нейтралізації хмари токсичного газу в атмосфері за рахунок подачі нейтралізуючих розчинів від наземних установок або повітряних засобів (гелікоптер, літак); провести обчислювальні експерименти з оцінкою ефективності пропонованого заходу;

· побудувати математичну модель процесу відсмоктування забрудненого повітря від зони аварійного розливу токсичної речовини та провести обчислювальний експеримент для оцінки ефективності відсмоктування на прикладі аміаку;

· розробити математичну модель динаміки процесу загазованості пасажирського вагону і прогнозу можливості отруєння людей при проходженні поїздом хмари токсичного газу, що рухається за вітром, та провести параметричні дослідження;

· розробити чисельні моделі процесу захисту атмосфери від забруднення шляхом створення вертикальних повітряних струменів (повітряної завіси) на шляху мігруючої хмари або шлейфу токсичного газу;

· дослідити процеси захисту атмосфери повітряною завісою при реальних параметрах установки, що утворює повітряну завісу, та відомих характеристиках поверхні розливу аміаку та руху утвореної токсичної хмари.

Об’єкт дослідження - процес забезпечення екологічної безпеки при аварійних викидах токсичних речовин в атмосферу.

Предмет дослідження – закономірності та особливості міграції хмари або шлейфу токсичного газу – аміаку в атмосфері при його аварійному викиді та параметри і показники його знешкодження різноманітними засобами.

Методи дослідження ґрунтуються на обчислювальному експерименті з тривимірними та двовимірними математичними моделями, що описують процес перенесення домішок в атмосфері та використанні моделі течії нев’язкої нестислої рідини. При рішенні диференційних рівнянь моделей на ПЕОМ використовуються неявні різницеві схеми розщеплювання. Тестування розроблених чисельних моделей виконано на розв’язанні задач про поширення домішок в атмосфері, що мають аналітичне рішення. Базуючись на методі гідродинамічної аналогії, в гідродинамічному лотку проведені фізичні експерименти по візуалізації процесу розповсюдження забруднюючої речовини при короткочасному витоку і процесу ії нейтралізації.

Наукова новизна отриманих результатів, які виносяться на захист, полягає в наступному:

1) розроблені математичні моделі для дослідження процесів нейтралізації хмари ТР (враховуючі специфіку даного процесу), мігруючої в атмосфері (на прикладі аміаку), за рахунок подачі нейтралізатора від існуючих стаціонарних або рухомих наземних установок, а також повітряних засобів (гелікоптер), які дозволили оперативно (на протязі декількох хвилин з моменту надходження даних про аварію) встановити параметри процесу необхідні при ліквідації реальних аварій;

2) розроблена математична модель розрахунку процесу захисту атмосфери від забруднення при випаровуванні ТР із зони розливу шляхом застосування вентиляторних установок, котрі відсмоктують забруднене повітря, що дозволяє прогнозувати ефективність методу залежно від розмірів аварійного розливу ТР;

3) розроблена математична модель прогнозу отруєння людей у вагоні при проходженні пасажирським поїздом хмари токсичної речовини, мігруючої в атмосфері, що на відміну від існуючої моделі дозволяє отримати дані в динаміці;

4) розроблена математична модель процесу захисту атмосфери від забруднення при міграції хмари (шлейфу) токсичної речовини шляхом створення повітряної завіси, що на відміну від існуючого ситуаційного підходу, дозволяє шляхом оперативного розрахунку встановлювати параметри захисних повітряних струмів (кількість, початкову швидкість витікання);

5) створене спеціалізоване програмне забезпечення для проведення обчислювального експерименту на основі тривимірних та двовимірних математичних моделей масопереносу, що забезпечує оперативне виконання розрахунків у межах часу необхідного для прийняття рішень при швидкоплинних процесах забруднення атмосфери токсичними речовинами.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені математичні моделі і пакети програм використовуються в Міністерстві України з питань надзвичайних ситуацій для удосконалення стратегії захисту населення при аварійних викидах (виливах) небезпечних речовин. Запропоновані моделі використовуються на спільному українсько-німецькому підприємстві “TUV NORD-ДИЭКС” для обґрунтування варіантів розміщення обладнання підвищеної небезпеки.

Запропоновані математичні моделі мають широкий робочий діапазон і можуть служити ефективним інструментом рішення комплексу задач по підбору технічних засобів і обґрунтування їх параметрів в системі цивільної оборони, призначених для знешкодження хмари (шлейфу) отруйних хімічних речовин.

Розроблені математичні моделі можуть бути також використані для виконання прогнозних розрахунків за оцінкою наслідків аварій, що приводять до викиду ТР в атмосферу. Також вони можуть застосовуватися для експертної оцінки результатів використання різних технічних заходів, направлених на захист атмосфери від забруднення при міграції ТР.

Особистий внесок автора. Всі приведені в роботі основні результати, які складають предмет дисертації (методологія моделювання процесів переносу ТР, нейтралізатора в атмосфері, постановка задач, побудова чисельних моделей, розробка прикладних програм), одержані автором самостійно. Автор самостійно проводив обчислювальні експерименти, оформляв проміжні результати у вигляді публікацій і наукових доповідей. У роботах, які виконані в співавторстві, здобувачу належать: загальні принципи побудови математичних моделей, алгоритмів моделювання процесів захисту атмосфери від забруднення, проведення чисельних розрахунків і обробка результатів моделювання.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на: Міжнародній науково-практичній конференції “Динаміка наукових досліджень”, Дніпропетровськ–Черкаси–Одеса, 2002 г.; ІІІ Міжнародному симпозіумі “Безпека життєдіяльності в ХХI столітті”, Хургада, Єгипет, 2003 г.; науково-практичній конференції “Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління”, Київ, 2003 г.; V Міжнародному симпозіумі “Безпека життєдіяльності в XXI столітті”, Дніпропетровськ, 2005 г.; VI науково-практичній конференції “Стратегія виживання. Адаптація і реабілітація населення України в умовах техногенних перевантажень”, Дніпропетровськ, 2005 г.; третій Міжнародній науково-практичній конференції при Інституті проблем природокористування і екології НАН України, Дніпропетровськ, 2005 г.; науково-практичної конференції “Стратегічна психологічна, соціально-психологічна реабілітація та альтернативні моделі розвитку суспільства” при Миколаївському державному університеті ім. В. А. Сухомлинського, м. Миколаїв, 2005 г.; II Miedzynarodowej naukowe-praktycznej konferencij “Wyksztalcenie i nauka bez granic ’2005”, Przemysl – Praha, 2005 r.; VI міжнародній конференції “Безпека життєдіяльності в ХХI столітті”, Дніпропетровськ, 2006 г.; науково-практичній конференції “Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту” при Дніпропетровському національному університеті ім. акад. В. Лазаряна, Дніпропетровськ, 2006 р.

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 21 науковій роботі, з них: 7 статтей в збірках наукових праць (все – фахові наукові видання), 14 – тези доповідей.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатку. Робота надрукована на 137 сторінках, містить 86 малюнків, 13 таблиць. Список використаних літературних джерел містить 132 бібліографічні назви. У додатку приведені документи про впровадження результатів дисертаційної роботи. Загальний об'єм дисертаційної роботи – 169 с.

зміст роботи

У першому розділі представлені результати аналізу наукових публікацій присвячених даній проблемі. Відмічається, що фізичний експеримент не може служити щоденним інструментом для вирішення складних прогнозних задач, пов'язаних з організацією захисту атмосфери при міграції токсичних речовин. Рішення даної проблеми може бути одержане тільки методом математичного моделювання. Аналіз літературних даних показав, що практично відсутні методи розрахунку технічних заходів, задачею яких є захист атмосфери.

Для моделювання перенесення токсичного газу в атмосфері, що потрапив туди в результаті аварії, використовується наступне рівняння:

(1)

де Qi - інтенсивність стаціонарного точкового викиду в точці з координатами кг/с; - координати розташування точкового джерела токсичної речовини; GJ - інтенсивність миттєвого точкового джерела викиду в точці з координатами кг; - позначення дельта-функції Дірака.

Рівняння (1) є базовою моделлю для вирішення задач по міграції в атмосфері токсичних речовин. Для експрес-розрахунку перенесення токсичних речовин в атмосфері в роботі пропонується використовувати планову модель – рівняння (1), усереднене по висоті перенесення Н - токсичної речовини

(2)

де - усереднене значення концентрації токсичної речовини по висоті розповсюдження Н; XOY - декартова система координат; , - компоненти вектора швидкості горизонтального руху повітряного середовища; - коефіцієнт, який враховує зміну концентрації токсичної речовини з часом, за рахунок хімічного розпаду, вимивання опадами, і захоплення поверхнею землі; ? - турбулентний коефіцієнт дифузії, ; qi - інтенсивність викиду точкового джерела токсичної речовини; - дельта-функції Дірака; t – час; , - координати розташування точкового джерела забруднення.

Для моделювання перенесення в атмосфері нейтралізатора, що подається від різних технічних засобів (наземні струменеві установки, вертоліт і т.п.) використовуються моделі виду (1), (2), записані відносно концентрації нейтралізатора. У модель (1) для обліку процесу гравітаційного осадження капель нейтралізатора із швидкістю ws, вводиться величина в складову, що враховує конвективно перенесення із швидкістю вітру w. Процес випаровування капель нейтралізатора враховується величиною параметра . Для двомірної моделі швидкість гравітаційного осадження, процес випаровування капель нейтралізатора враховуються за допомогою складової . У п.1.2, 1.3 розглядається постановка початкових і граничних умов для рівнянь (1) і (2).

В першому розділі також розглянуті підходи до визначення фізичних параметрів для практичної реалізації моделі (1) або (2). Розглянуті моделі для розрахунку величини коефіцієнтів турбулентної дифузії, профілю швидкості вітру, коефіцієнта та моделі розрахунку швидкості гравітаційного осадження та швидкості випаровування крапель нейтралізатора.

У другому розділі розглянута побудова неявних поперемінно-трикутних різницевих схем для чисельного інтегрування рівнянь перенесення токсичного газу (нейтралізатора) виду (1), (2).

Чисельне інтегрування рівняння (2) здійснюється в області , розбитій рівномірною прямокутною сіткою. Невідоме значення концентрації токсичного газу (нейтралізатора) визначатимемо в центрі різницевих осередків, а компоненти вектора швидкості u, v задавати на сторонах осередків (рис. 1).

Рис. 1. Схема розміщення розрахункових вузлів

Похідну за часом апроксимуємо розділеною різницею “назад”:

Конвективні похідні запишемо у вигляді

где ; ; ; .

Апроксимуємо конвективні похідні розділеними різницями “проти потоку” на верхньому часовому шарі таким чином:

Компоненти швидкості u визначатимемо на вертикальних гранях різницевих осередків, а компоненти швидкості v - на горизонтальних гранях. Індекси цих граней відповідають індексам осередків, розташованих правіше або вище відповідної грані (рис. 1).

Другі похідні апроксимуємо так:

Тут - умовні позначення різницевих операторів. З урахуванням приведених вище позначень запишемо різницевий аналог рівняння (3):

Позначимо числом 1 або 0, залежно від того, розташовано чи ні в різницевому осередку "і,j" джерело забруднення. Значення дорівнює інтенсивності qk відповідного k-го джерела, розміщеного в різницевому осередку "і,j", яка ділиться на площу цього осередку:

Розщепнемо різницеве рівняння (5) на чотири різницеві рівняння так, щоб на кожному кроці враховувався лише один напрям перенесення домішку, обумовлений знаком при конвективних похідних. В цьому випадку різницеві рівняння мають вигляд:

на першому кроці розщеплювання k =:

на другому кроці розщеплювання ; :

на третьому кроці розщеплювання ; :

на четвертому кроці розщеплювання ; :

У дискретному вигляді дельта-функцію Дірака “розмажемо” на один різницевий осередок так, щоб зберегти сумарну кількість qі забруднюючої речовини, яка викидається зі всієї площі різницевого осередку.

Необхідно відзначити, що на кожному кроці розщеплювання приведених вище різницевих рівнянь при апроксимації других похідних використовується два часові шари, аналогічно апроксимації других похідних в методі В. К. Саульева. На верхньому часовому шарі обчислюється та частина різницевих операторів , , яка узгоджується з напрямом розділеної різниці для конвективної похідної. Через односторонню апроксимацію конвективних похідних такий підхід дозволяє використовувати значення невідомої функції ? в трьох різницевих вузлах на верхньому часовому шарі для кожного кроку розщеплювання.

Оскільки на кожному кроці розщеплювання, шаблон різницевих рівнянь має трикутну форму на верхньому часовому шарі, невідоме значення функції ? можна легко знайти по методу “бегущего счета”.

У другому розділі також розглянута побудова поперемінно-трикутної неявно різницевої схеми для чисельного інтегрування тривимірного рівняння перенесення токсичного газу (нейтралізатора) у вигляді (1). Апроксимація похідної за часом, конвективних похідних і других похідних здійснюється по залежностям аналогічним вигляду (3) – (5). Рішення тривимірного різницевого рівняння розщеплюється на чотири кроки при інтегруванні на часовому інтервалі dt таким чином:

на першому кроці розщеплювання різницеве рівняння має вигляд:

; (7)

на другому кроці розщеплювання різницеве рівняння має вигляд:

; (8)

на третьому кроці розщеплювання різницеве рівняння має вигляд (8);

на четвертому кроці використовується формула (7).

У дані різницеві співвідношення входить “обурений” коефіцієнт дифузії :

,

і т.д.

На п'ятому кроці розщеплювання враховується вплив джерел на зміну концентрації домішку і розрахункова залежність на цьому кроці має вигляд:

.

У дискретному вигляді дельта-функція Дірака “розмазується” за об'ємом різницевого осередку з урахуванням заощадження сумарної кількості забруднення, що викидається. Функції тотожно дорівнюють нулю, окрім осередків, де розташоване перше джерело забруднення.

Далі розглянута побудова чисельних моделей для розрахунку течії повітряного потоку в рамках моделі нев'язкої нестислої рідини. Ці моделі використовуються для рішення задач по захисту атмосфери шляхом створення повітряної завіси на шляху міграції ТР. Базовим рівнянням моделі є рівняння для потенціалу швидкості Р:

.

Використовуючи ідею встановлення рішення за часом, будемо чисельно інтегрувати рівняння вигляду

.

Поперемінно-трикутний метод А. А. Самарського стосовно даного рівняння записується таким чином:

Після визначення поля потенціалу розраховуються компоненти вектора швидкості на гранях різницевих осередків за формулами

,

,

.

У даному розділі також розглянуто побудову поперемінно-трикутного методу А. А. Самарського для двомірного рівняння для потенціалу швидкості Р. Оскільки використання декількох чисельних моделей при рішенні прикладних задач є сучасною тенденцією у області чисельного моделювання (з метою контролю за процесом розрахунку), в розділі приведена побудова чисельної моделі для рівняння потенціалу швидкості (двомірний і тривимірний випадок) за допомогою методу Лібмана. При проведенні обчислювального експерименту обидва методи використовувалися паралельно.

У третьому розділі розглянуто застосування розроблених чисельних моделей для вирішення прогнозних задач про забруднення атмосфери при міграції аміаку. В началі розділу розглянуто рішення задачі про прогноз токсичного ураження людей у вагоні потягу, що проходить через хмару токсичного газу (аміаку). У якості початкової, базової моделі для опису міграції хмари токсичної речовини в атмосфері використовується рівняння конвективно-дифузійного перенесення (2).

Баланс кількості токсичної речовини у вагоні описується наступним рівнянням:

,

де - об'єм вагону; - концентрація ТР в повітрі, що виходить з вагону; - повітрообмін; - концентрація ТР в повітрі, що входить у вагон через систему вентиляції.

Для вирішення даного рівняння використовується метод Ейлера.

Ступінь токсичного ураження людей на місцевості, у вагоні може бути оцінена по величині смертельної концентрації отруйної речовини, а також на підставі розрахунку токсодози, наприклад, по моделі Хабера:

,

де - вентильований об'єм легенів; - середня маса людини; t – час експозиції.

У розробленій чисельній моделі є можливість здійснювати прогноз токсичного ураження, як по величині токсодози, так і по значенню смертельної концентрації. У дискретній моделі є можливість задавати маршрут руху (наприклад, на рис.2, маршрут потягу - А-В-С-D), різну швидкість руху потягу (наприклад, на різних ділянках колії), змінювати величину повітрообміну у вагоні, задавати різну величину швидкості і напрям вітру, розміри, кількість хмар токсичного газу, що рухаються в атмосфері.

У розділі наводяться результати обчислювального експерименту по моделюванню рівня забруднення пасажирського вагону (рис.3) при проходженні потягом хмари аміаку, яка рухається, з урахуванням різній швидкості руху потягу і різному повітрообміні у вагоні.

Рис. 2. Схема розрахункової області і маршруту руху потягу:

A-B-C-D – маршрут потягу

Рис. 3. Зміна концентрації аміаку С у вагоні (швидкість потягу 40 км/г, повітрообмін 0,22 м3/с)

У розділі також представлені результати обчислювального експерименту по моделюванню міграції в атмосфері двох хмар токсичного газу, що утворилися на місці аварії (ефект доміно). Чисельне моделювання виконане на базі тривимірного рівняння (1). При рішенні задачі вважалося, що профіль вітру описується залежністю

,

де u0 – швидкість вітру на висоті Z0=10 м від поверхні землі, u0 =3 м/с; Z – поточне значення висоти; p=0,15 – параметр (що відповідає класу стабільності атмосфери D за шкалою Гиффорда, відкрита місцевість).

Результати обчислювального експерименту представлені у вигляді динаміки зміни рівня забруднення атмосфери та динаміки зміни розмірів зони забруднення для різних моментів часу і на різних висотах (рис. 4 - 5).

Рис. 4. Ізолінії концентрації NH4 на рівні Z=86 м, t=15 с

Рис. 5. Ізолінії концентрації NH4 на рівні Z=86 м, t=75 с

Рис. 4, 5 представляють зону забруднення атмосфери в схожі моменти часу, але в перетинах, розташованих на різній висоті Z від поверхні землі. Оскільки в більш верхніх шарах атмосфери швидкість вітру більше, то і зона забруднення тут значно більше “зсунута” у напрямі повітряного потоку і більш “розряджена”, оскільки прискорений тут конвективний потік “прагне” інтенсивніше розсіяти забруднювач.

Далі в третьому розділі представлені результати рішення двох тестових задач про забруднення атмосфери, що мають аналітичне рішення. В якості першої задачі розглядається тривимірна задача про точковий миттєвий викид відомої маси токсичного газу Q. В якості другої задачі обрана тривимірна задача про розсіювання токсичного газу від постійно діючого джерела викиду, розташованого на висоті Z. Зіставлення результатів моделювання, одержаних за допомогою побудованої тривимірної чисельної моделі з розрахунком по відомих в літературі аналітичних рішеннях показало задовільне узгодження (розбіжність складає порядка 5 – 8%).

У кінці третього розділу представлені результати чисельного моделювання процесу забруднення атмосфери при розливі зрідженого аміаку. Обчислювальний експеримент проведений на базі моделі (2). Розроблена чисельна модель дозволяє виконати прогноз рівня забруднення атмосфери при міграції як первинної хмари так і шлейфу токсичного газу, що формується від зони розливу, а також міграцію вторинної хмари. На рис. 6 представлено первинну хмару аміаку на місці аварії для моменту часу t=30 с. На рис. 8 представлена зона забруднення атмосфери, що формується шлейфом від зони розливу та первинною хмарою, яка рухається за вітром.

Рис. 6. Ізолінії концентрації аміаку для моменту часу t=30 c (міграція первинної хмари)

Рис. 7. Ізолінії концентрації аміаку для моменту часу t=240 c (шлейф від зони розливу і первинна хмара, що рухається за вітром)

У четвертому розділі розглядається застосування розроблених чисельних моделей для дослідження процесів захисту атмосфери від забруднення при міграції в ній токсичних речовин. Використання моделей на практиці дозволяє швидко і економічно “виробляти” науково обґрунтовану систему організації захисту для тієї або іншої аварійної ситуації.

У началі розділу представлені результати обчислювального експерименту по моделюванню процесу захисту атмосфери шляхом відсмоктування аміаку, що випаровується, від зони розливу за допомогою вентиляторів. Чисельне моделювання виконане на базі наступного рівняння

,

де - інтенсивність випаровування від зони розливу; - інтенсивність відсмоктування вентилятора; rj - координати розташування повітрозбірника вентилятору, .

Решта параметрів в даному рівнянні має той же сенс, що і для рівняння (1). У дискретній моделі відсмоктування моделюється точковим стоком інтенсивністю . Поле швидкості, індуковане роботою точкових стоків (повітрозбірників вентиляторів) розраховувалося на основі теорії потенційної течії (аналітична модель). Для реалізації граничної умови непротікання на площині Z=0 симетрично цій площині розміщувався фіктивний стік такої ж інтенсивності.

Інтенсивність випаровування аміаку від зони розливу розраховувалася по емпіричній залежності

,

де V – швидкість повітряного потоку над зоною розливу; PН- тиск насиченої пари; М – молекулярна маса речовини.

В процесі обчислювального експерименту змінювалася кількість повітрозбірників і їх різне розміщення щодо зони розливу. Проведений експеримент дозволяє зробити висновок про те, що даний вид захисту атмосфери є малоефективним і може бути рекомендований тільки при невеликих розмірах зони розливу і малих швидкостях вітру.

Далі в розділі представлені результати фізичного експерименту по візуалізації процесу розповсюдження забруднюючої речовини при короткочасному витоку і процесу його нейтралізації. Беручи за основу метод аналогії, експеримент був проведений в гідравлічному лотку, в який швидко подавався розчин крохмалю і на цифровий апарат фіксувався розвиток зони забруднення. Через певний проміжок часу в лоток подавався “нейтралізатор” - розчин йоду. Зміна забарвлення в лотку моделювала процес “взаємодії” забруднювач + нейтралізатор.

В розділі розглянуте рішення трьох задач про захист атмосфери при міграції в ній однієї або двох хмар аміаку шляхом подачі нейтралізатора від однієї або двох пожежних машин (рис.8) стаціонарних або рухомих. Для вирішення задачі використовуються моделі вигляду (1) і (2). У процесі моделювання досліджена динаміка зменшення розмірів і інтенсивності зони забруднення при заданих параметрах викиду нейтралізатора, маршруті і швидкості руху пожежних машин.

У табл. 1 показана динаміка нейтралізації NH4 в хмарі. Враховуючи, що маса NH4 в хмарі перед початком нейтралізації склала близько 971 кг, то видно, що в основному процес нейтралізації закінчиться через 90 с, що обумовлено “проходженням” хмари через рубіж перехоплення (рубіж розташування пожежних машин) під впливом вітру.

Таблица 1

Количество нейтрализованного аммиака

t, с | Маса, кг

15 | 357

30 | 653

45 | 783

75 | 832

90 | 833

Рис. 9. Розподіл концентрації NH4 по висоті після початку нейтралізації (перетин Y=186 м, t=45 с)

Зона забруднення, представлена на мал. 9, “вказує” на те, що висота струменя від пожежної машини недостатня і частина токсичної речовини “проривається” зверху через рубіж “перехоплення”.

Далі в розділі представлені результати рішення двох задач про захист атмосфери від забруднення при міграції хмари аміаку шляхом подачі нейтралізатора з одного або двох гелікоптерів. Досліджена ефективність даного методу захисту при різних маршрутах руху гелікоптерів, відносно до мігруючої хмари, та їх швидкості.

Рис. 10. Форма хмари NH4 через 30 с після початку нейтралізації (один гелікоптер, розподіл концентрації по висоті, перетин Y=60 м)

У кінці четвертого розділу представлені результати рішення задач по захисту атмосфери від забруднення шляхом створення вертикальних повітряних струменів на шляху мігруючої хмари токсичного газу. Рішення задач одержане на базі моделі (2) і чисельного інтегрування рівняння Лапласа для двомірного випадку. У розробленій математичній моделі вертикальні повітряні струмені моделювалися вдуванням повітря через щілину на площині Z=0. Поле швидкості, що формується під дією висхідних струменів і вітрового потоку, розраховувалося на основі моделі потенційної течії. Досліджена динаміка процесу забруднення атмосфери і визначені розміри безпечної зони біля установки, що подає струмінь. Дослідження проведене при різній швидкості висхідних струменів і ширині ділянки, на якій створюється повітряна завіса. Далі розглянуте рішення цієї ж задачі, але в тривимірній постановці на базі моделі (1) і тривимірного рівняння Лапласа. Представлені результати по моделюванню процесу захисту повітряного середовища як при міграції хмари токсичного газу, так і при міграції шлейфу, що формується над зоною розливу. Визначені розміри безпечної зони біля установки, що подає струмінь (рис. 11, зона А).

Рис. 11. Зона забруднення атмосфери при подачі вертикального струменя (t=13 с, перетин Y=60 м): А – незабруднена зона

Проведені обчислювальні експерименти, з використанням реальних параметрів установок, що створюють висхідний струмінь, дозволяють зробити висновок, що для ефективного захисту атмосфери від забруднення у випадку техногенних аварій шляхом використання повітряної завіси необхідно використовувати потужні установки, наприклад реактивні двигуни летальних апаратів.

ВИСНОВКИ

За результатами дисертаційної роботи зроблені такі висновки:

1. У дисертації дано рішення важливої науково-прикладної задачі – підвищення ефективності технічних заходів спрямованих на підвищення екологічної безпеки при міграції токсичних речовин в атмосфері. В основу запропонованого і розробленого рішення покладено метод математичного моделювання процесу перенесення домішок на основі тривимірного і двовимірного диференційних рівнянь масопереносу забруднювачів в повітрі та оперативний обчислювальний експеримент, що враховує реальні параметри токсичної речовини, стан атмосфери і технічних засобів знешкодження токсичної речовини.

2. Розроблені ефективні тривимірні, двомірні чисельні моделі розрахунку процесів міграції токсичних речовин і нейтралізатора в атмосфері (враховуючі специфіку даного процесу) на основі неявних поперемінно–трикутних різницевих схем розв’язання диференційних рівнянь. Запропоновані моделі є науковим супроводом інженерно-технічних заходів для захисту атмосфери від забруднення при аварійних викидах токсичних речовин. Розроблені моделі можуть бути застосовані для розрахунку забруднення повітряного середовища, території і прогнозу токсичного ураження населення у разі аварій на автомобільному, залізничному транспорті, газоводах, промислових об'єктах.

3. Побудована математична модель процесу нейтралізації хмари токсичного газу, яка рухається в атмосфері за рахунок подачі нейтралізуючих розчинів від наземних установок (пожежні машини, що рухаються або стаціонарні пристрої). На основі цієї моделі вперше досліджені процеси знешкодження хмари токсичного газу (аміаку), розміри якої встановлюються об'ємами аварійного розливу з урахуванням ступеню випаровування, в умовах рівнинної місцевості і характерних параметрах стану атмосфери, що враховуються через певні значення коефіцієнтів турбулентної дифузії та профілю швидкості вітру.

4. На основі побудованої математичної моделі вперше вирішена задача про знешкодження хмари токсичного газу, мігруючого в атмосфері, шляхом подачі нейтралізатора від рухомого літального апарату (гелікоптер). Досліджена ефективність захисту атмосфери при різній стратегії організації ліквідування хмари, що передбачає певні траєкторії літального апарату залежно від швидкості і напрямку вітру, а також способи подавання нейтралізатора в хмару.

5. Побудована математична модель прогнозу токсичного ураження людей у вагоні потягу, що проходить через хмару токсичного газу, що рухається в атмосфері, з урахуванням певної траєкторії руху потягу відносно хмари, метеорологічних умов, розмірів та форми токсичної хмари, швидкості руху потягу, величини повітрообміну у вагоні.

6. Розроблена математична модель процесу захисту атмосфери від забруднення шляхом відсмоктування пари токсичної речовини від зони аварійного розливу. Досліджена ефективність відсмоктування токсичної пари при різному положенні забірників повітря вентиляторів. Проведені дослідження вказують на те, що відсмоктування парів токсичної речовини від зони розливу є не ефективним при великих зонах розливу та реальних метеоумовах.

7. Розроблені чисельні моделі процесу захисту атмосфери від забруднення шляхом створення повітряної завіси на шляху токсичної речовини, що рухається у вигляді хмари або шлейфа. Досліджений вплив параметрів висхідного струменю повітря на рівень захисту атмосфери та формування зони безпеки біля установок, що створюють струмінь при різноманітних метеорологічних умовах.

8. Створене спеціалізоване програмне забезпечення для проведення обчислювального експерименту на базі розроблених чисельних моделей.

9. На основі створеного спеціалізованого програмного забезпечення проведена серія обчислювальних експериментів за визначенням ефективності різних технічних заходів, направлених на захист атмосфери при міграції в ній токсичних речовин, що надійшли в атмосферу у випадку різноманітних аварій, зокрема розливів аміаку або залпових викидів токсичних речовин.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАІЇ

1. Антонов А. М., Беляев Н. Н., Лисняк В. М. Защита воздушной среды от загрязнения при миграции токсичных веществ // Матеріали одинадцятої міжнар. наук.-практ. конф. ім. ак. М. Кравчука, Київ, 18-20 травня 2006 року. – С.19.

2. Беляев Н. Н., Лисняк В. М. Защита атмосферы от загрязнения при аварийных выбросах и разливах токсичных веществ // Проблеми обчислювальної механіки і міцності конструкцій: Зб. наук. пр. - Донецьк: Норд-Прес, 2004. – Вип. 8. - С.32-40.

3. Беляев Н. Н., Лисняк В. М. Ликвидация облака токсичного газа в атмосфере // Науково-практичний журнал “Новини науки Придніпров’я”. – Дніпропетровськ, 2005. - №6. – С. 7-12.

4. Беляев Н. Н., Лисняк В. М. Использование струйных установок для подавления облака токсичного газа // Пробл. та перспективи розвитку залізничного трансп.: Тези 66-ї міжнар. наук.-практ. конф., Дніпропетровськ, 11-12 травня 2006 року, с. 242-245.

5. Беляев Н. Н., Лисняк В. М., Лукашенко А. Н. Численное моделирование рассеивания загрязняющих веществ на промплощадках // Прикладні проблеми аерогідромеханіки та тепломасопереносу, Дніпропетровськ, 16-17 листопада 2006 року, с. 128-129.

6. Беляев Н. Н., Лисняк В. М., Полищук С. З. Нейтрализация токсичного облака в атмосфере // Матеріали наук. конф. “Математичні проблеми технічної механіки - 2006”, Дніпропетровськ, Дніпродзержинськ, 17-20 квітня 2006 року, с.197.

7. Беляев Н. Н., Полищук С. З., Лисняк В. М. Численные модели в задачах охраны окружающей среды // Системні технології. Регіональний Міжвузівський зб. наук. пр. – Дніпропетровськ, 2006. – Вип. 4 (45). – С.12-19.

8. Лисняк В. М. Применение воздушной завесы для защиты атмосферы от загрязнения при миграции облака токсичного газа // Матеріали третьої міжнар. молодіжної наук. конф. “Довкілля - XXI”, Дніпропетровськ, 5-6 жовтня 2006 року, с.25-26.

9. Лисняк В. М. Екологія на транспорті: Метод расчета процесса нейтрализации токсичного облака мигрирующего в атмосфере // Вісн. Дніпропетр. нац. ун-ту. Механіка. – Д., 2006. – Вип.11. – С.24-28.

10. Беляев Н. Н., Лисняк В. М. Екологія на транспорті: Защита атмосферы от загрязнения путем применения воздушных восходящих струй // Вісн. Дніпропетр. нац. ун-ту. Механіка. – Д., 2006. – Вип.12. – С.25-29.

11. Беляев Н. Н., Давыдов Р.В., Лисняк В. М., Рябцева Н.П. Численное моделирование загрязнения окружающей среды при аварийных утечках аммиака // Сборник научных трудов “Строительство, материаловедение, машиностроение”. – Днепропетровск, 2006. – Вып. 38. – С.155-161.

12. Беляев Н. Н., Лисняк В. М., Зыонг Н. С. Моделирование загрязнения р. Днепр при аварии на ж.д. мосту // Межрегиональные пробл. эколог. безопасности: Сб. тезисов докл. междунар. симп., Сумы - Санкт-Петербург, сентябрь 2003 г. - С. 82.

13. Беляев Н. Н., Оноприенко Д. М., Лисняк В. М. Модель прогнозу витрат трудових ресурсів у випадку техногенних аварій та терактів // “Стратегічна психологічна, соціально-психологічна реабілітація та альтернативні моделі розвитку суспільства: Програма та тези наук.-практ. конф., Миколаїв, жовтень 2005 року. - С.20.

14. Лисняк В. М. Защита населения от поражения при миграции токсичного облака // Безопасность жизнедеятельности в ХХI веке: Мат. 6-й междунар. конф., Днепропетровск, январь 2006. - С.35-36.

15. Лисняк В. М. Моделирование миграции токсичных веществ в атмосфере // Wyksztalcenie i nauka bez granic-2005: Materialy 2 Miedzynarodowej naukowe-praktycznej konferencij. – T. 18. - Przemysl: Sp. Z o.o. “Nauka i studia”, 2005. - S. 31-33.

16. Никульникова В. В., Лисняк В. М., Бовсун С. В. Численное моделирование вентиляции помещения после аварийного выброса загрязняющего вещества // Безопасность жизнедеятельности в XXI веке: Материалы 5-го междунар. симп., Днепропетровск, январь 2005 года. - С. 57.

17. Беляев Н. Н., Гунько Е. Ю., Коптилая О. В., Лисняк В. М. Численное моделирование процеса загрязнения воздуха в салоне пассажирского вагона // Матеріали міжнар. наук.-практ. конф. “Динаміка наукових досліджень”, Дніпропетровськ - Черкаси – Одеса, жовтень 2002 року. – Т. 17. - С.3.

18. Беляев Н. Н., Дуганов А. Г., Лисняк В. М. Аварии: Моделирование затекания токсичного газа в вагон // Вісн. Дніпропетр. нац. ун-ту. Механіка. - Д., 2005. - Вип. 10. - С. 7-14.

19. Беляев Н. Н., Дуганов А. Г., Лисняк В. М. Прогнозирование качества воздушной среды в салоне вагона // Пробл. та перспективи розвитку транспорт. систем: техніка, технологія, економіка і управління: Тези доп. першої наук.-практ. конф., Київ, грудень 2003 року. – Ч. 1: Техніка, технологія. - С.181-182.

20. Беляев Н. Н., Кавун Г. М., Лисняк В. М. Защита атмосферы от загрязнения при чрезвычайных ситуациях // Пробл. природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів: Матеріали третьої Міжнар. науково-практ. конф., Дніпропетровськ, жовтень 2005 року. - С. 223-225.

21. Беляев Н. Н., Кавун Г. М., Лисняк В. М., Щербак Г. А. Защита населения от поражения токсичными газами при авариях на транспорте // Стратегия выживания. Адаптация и реабилитация населения Украины в условиях техногенных перегрузок: Материалы 6-й научно-практ. конф., Днепропетровск, май 2005 года. - С.34-38.

22. Беляев Н. Н., Коптилая О. В., Гунько Е. Ю., Лисняк В. М. Расчет риска отравления людей в вагоне, проходящем через облако аммиака // Безопасность жизнедеятельности в ХХI веке, 3-й Междунар. симп., Днепропетровск (Украина) - Хургада (Египет), январь 2003 г. - С.16.

АНОТАЦІЯ

Лісняк В. М. Підвищення екологічної безпеки при аварійних викидах токсичних речовин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 21.06.01 – екологічна безпека. Національна академія природоохоронного та курортного будівництва. Сімферополь, 2007.

Аварії на виробництві, транспорті нерідко супроводжуються викидом в атмосферу значної кількості токсичних речовин. Захист атмосфери від забруднення при міграції токсичних речовин – одна з найважливіших задач, яка важко вирішується у області екологічної безпеки. Для підвищення ефективності захисних заходів необхідно уміти наперед визначати і науково обґрунтовувати розміщення технічних засобів, режим їх роботи залежно від конкретних метеоумов і інших факторів.

Розробити комплексну, науково обґрунтовану стратегію по захисту атмосфери від забруднення при техногенних аваріях можна тільки з використанням методу математичного моделювання.

У роботі представлене рішення важливої науково-технічної задачі у області екологічної безпеки - організація ефективного захисту атмосфери від забруднення при міграції в ній токсичних речовин шляхом забезпечення низки інженерно-технічних заходів, направлених на захист атмосфери від забруднення при міграції токсичних речовин, комплексом математичних моделей, що дозволяють системно, науково обґрунтовано і ефективно організувати ці заходи.

У роботі розроблені тривимірна і двовимірна чисельні моделі процесу нейтралізації