Тезисы докладов

Доклады участников из СНГ

Разработана численная трехмерная модель распространения холодных тяжелых газов в атмосферном пограничном слое. Решается нефильтрованная система уравнений гидротермодинамики тяжелого газа, осредненных по Фавру-Рейнольдсу. Параметризация турбулентных процессов осуществляется с помощью градиентных соотношений,сохраняющих тензорную инвариантность для сжимаемых течений. Модель замыкалась с помощью известных уравнений переноса энергии турбулентности и скорости диссипации. В отличие от известных трехмерных моделей, в представленной модели теплообмен с Землей учитывается с помощью соотношений для смешанной конвекции. Для неизотермических выбросов газа решалась сопряженная задача теплообмена холодного газа и поверхностного слоя Земли.

Использовалась постановка задачи с уравнением переноса внутренней энергии в форме уравнения для давления (Ковеня и Яненко,1984),модифицированная на случай турбулентных течений. Это позволило разбить исходную систему уравнений на две подсистемы. Численное решение этих подсистем с использованием консервативных по массе численных схем проводилось с разными шагами по времени Сравнение с традиционной для этих задач постановкой с использованием уравнения для температуры(энтальпии)показало, что расчет двух подсистем с различными шагами по времени увеличил вычислительную эффективность метода почти в два раза. Численное решение уравнений модели осуществлялось помощью неявных конечно-разностных схем расщепления по физическим процессам и направлениям (Яненко,1967; Марчук, 1988).

С помощью разработанной модели исследована динамика облака тяжелого газа, возникшего в результате мгновенного выброса в покоящейся атмосфере и непрерывного истечения в поток воздуха над Землей. В случае мгновенного выброса показано образование тороидального вихря на начальной стадии коллапса облака и возникновение на поверхности облака гравитационных волн. Представлены графики изменения во времени полной потенциальной и кинетической средней энергии и турбулентной кинетической энергий области. Показан быстрый рост турбулентной энергии на начальной стадии распространения облака. Затухание турбулентной энергии происходит значительно быстрее, чем средней кинетической и потенциальной энергии за счет диссипации и устойчивой стратификации в облаке. Показана хорошая согласованность данных лабораторных и натурных экспериментов с численными расчетами.

На примере мгновенных выбросов численно исследована погрешность, вносимая в уравнение неразрывности приближениями Буссинеска и «обобщенным неупругим» приближением (Chan), которые часто используются при моделировании этих процессов. Эта погрешность велика (около 30%) на начальной стадии распространения облака. В случае «обобщенного неупругого» приближения это приводит к существенной потере массы газа.

Исследовано взаимодействие облака тяжелого газа с атмосферного приземным слоем. Приведено сопоставление с лабораторными экспериментами Zhu, Arya (1999). В результате подавления турбулентности за счет устойчивой стратификации в облаке уменьшается напряжение трения на границе облака и воздуха и, следовательно, изменяется профиль скорости. Воздух начинает скользить по верхней границе тяжелого облака покрывающего шероховатую подстилающую поверхность, а крутизна профиля скорости увеличивается за счет уменьшения соротивления.

Исследовано влияние теплообмена с Землей на динамику облака холодного газа. Показано, что неадиабатичность приводит к существенному уменьшению плавучести облака и скорости его гравитационного растекания. Одновременно, этот процесс оказывает существенное воздействие на турбулентные характеристики в облаке. Если на верхней границе облака энергия турбулентности подавляется, как и в случае адиабатического течения, то внутри облака она генерируется неустойчивой стратификацией. Показано, что свободная конвекция доминирует при малых и средних скоростях ветра. Вынужденная конвекция подавляется вблизи источника, вследствие указанного эффекта вытеснения пограничного слоя и уменьшения горизонтальной составляющей скорости, а свободная конвекция преобладает в областях, где есть существенный перепад температуры между газом и Землей. Вблизи источника она велика и убывает при удалении от него. В результате этого суммарный коэффициент теплообмена в натурном эксперименте Burro и в модельных расчетах слабо зависит от расстояния от источника.

Приведено сравнение решения модельной задачи теплообмена (при постоянной температуре газа над поверхностью Земли)с аналитическим в случае постоянного коэффициента теплообмена и в случае коеффициента, определяемого соотношениями для смешанной конвекции. На примере модельной задачи показано, что учет свободной конвекции существенно меняет степень охлаждения поверхности Земли даже для небольших характерных времен. Численные расчеты нестационарной задачи распространения тяжелого холодного газа над земной поверхностью, моделирующие натурный эксперимент Burro, подтверждают этот результат.

Дополнительные материалы:

PDF (282 kb)

Примечание. Тезисы докладов публикуются в авторской редакции

Ваши комментарии Обратная связь

[Головная страница] [Конференции]

© 1996-2001, Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск
© 1996-2001, Сибирское отделение Российской академии наук, Новосибирск