Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы и реагенты для воздействия на облака и туманы 11
1.1. Физические основы методов активных воздействий на облачные среды 11
1.2. Реагенты, применяемые для активных воздействий на облака и туманы 12
1.2.1. Льдообразующие реагенты 12
1.2.2. Гигроскопические реагенты 20
1.2.3. Порошкообразные реагенты 25
Выводы 27
Глава 2. Исследования эффективности льдообразующих реагентов 30
2.1. Особенности формирования льдообразующих аэрозолей при и их диспергировании наземными генераторами 30
2.2. Методики исследования льдообразующей эффективности 32
2.3. Результаты исследования эффективности льдообразующих реагентов 42
2.3.1. Ацетоновые растворы йодистого серебра 42
2.3.2 Пиротехнические составы 46
2.3.3 Генераторы мелкодисперсных частиц льда 51
2.4 Результаты исследования эффективности льдообразующих реагентов методом численного моделирования 53
2.4.1 Численное моделирование активных воздействий на переохлажденный туман 53
2.4.2 Численное моделирование активных воздействий на слоистообразную облачность 68
2.5 Результаты натурного эксперимента по оценке эффективности применения жидкостного наземного генератора НАГ-07А. 73
2.5.1 Наземный аэрозольный жидкостной генератор НАГ-07А 73
2.5.2 Натурные эксперименты по увеличению осадков наземными аэрозольными жидкостными генераторами 74
Выводы 84
Глава 3. Исследование эффективности грубодисперсных порошкообразных реагентов 85
3.1. Методики и аппаратура для исследования эффективности грубодисперсных порошкообразных реагентов 85
3.2. Результаты исследования эффективности грубодисперсных порошкообразных реагентов 3.2.1. Порошки слаборастворимых и гидрофильных веществ 88
3.2.2. Порошки гигроскопических веществ 90
3.3. Результаты натурного эксперимента по оценке эффективности негигроскопических порошкообразных реагентов 92
3.4. Результаты натурного эксперимента по оценке эффективности порошкообразных реагентов гигроскопических веществ 96
Выводы 103
Глава 4. Льдообразующие порошкообразные реагенты на основе наноразмерных частиц 105
4.1. Наноразмерные порошкообразные льдообразующие реагенты 105
4.2. Численные исследования по оценке эффективности льдообразующего реагента LN-212 при воздействии на слоистообразную облачность. 107
4.2.1 Численный эксперимент по воздействию на слоистообразную облачность наноразмерным реагентом с самолета 107
4.2.2. Численный эксперимент по воздействию на слоистообразную облачность наноразмерным реагентом с дистанционно пилотируемого летательного аппарата (гексакоптера) 110
4.3. Способы диспергирования наноразмерных порошкообразных льдообразующих реагентов 114
Выводы 116
Заключение 117
Литература 119
- Льдообразующие реагенты
- Численное моделирование активных воздействий на переохлажденный туман
- Результаты натурного эксперимента по оценке эффективности порошкообразных реагентов гигроскопических веществ
- Численный эксперимент по воздействию на слоистообразную облачность наноразмерным реагентом с дистанционно пилотируемого летательного аппарата (гексакоптера)
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Активные воздействия (АВ) на облака и туманы имеют многолетнюю историю и важнейшей составляющей этих работ являются исследования эффективности различных классов реагентов. К настоящему времени наиболее хорошо исследованы реагенты, которые применяется для активных воздействий на переохлажденные облачные среды. Самым изученным является йодистое серебро, которое является единственным льдообразующим реагентом, используемым в практической работе.
Как показывает многолетний опыт исследований дальнейший поиск новых реагентов себя практически исчерпал. Поэтому в последние годы усилия исследователей направлены на изучение возможностей использования резервов существующих реагентов на основе йодистого серебра. На наличие таких возможностей указывает, например, то, что льдообразующая эффективность пиротехнических составов на основе йодистого серебра сильно зависит от отдельных факторов: от технологии производства составов, от дисперсности компонентов входящих в состав, от сроков и условий хранения пиротехнических изделий и т.п. Следует отметить, что в настоящее время выявить теоретически влияние этих факторов на льдообразующую эффективность составов не представляется возможным. Поэтому повышение эффективности пиротехнических составов в основном достигается путем экспериментального подбора компонентов применительно для каждого конкретного пиротехнического изделия.
Поскольку такой подбор компонентов составов и растворов осуществляется экспериментальным путем, то следует подчеркнуть необходимость разработки и применения экспериментальных методик, которые обеспечивали бы объективную информацию о льдообразующей эффективности составов и растворов для вновь разрабатываемых полноразмерных самолетных и наземных генераторов льдообразующих аэрозолей.
Как показывают результаты многочисленных исследований (ФГБУ «ЦАО», НПО «Тайфун», ФГБУ «ГГО») для воздействия на теплую облачность наиболее обоснованным является применение гигроскопических реагентов в виде гру бо дисперсных порошков размером более 5-10 мкм. Использование
высокодисперсных гигроскопических частиц диаметром менее 1 мкм, которые формируются при горении пиротехнического составов физически не обосновано. В настоящее время отсутствуют надежные экспериментальные данные об их эффективном применении для воздействия в натурных условиях.
Применение порошкообразных реагентов для воздействия на теплую облачность сдерживается отсутствием надежной информации об оптимальных для таких воздействий размерах частиц и расходных характеристиках реагентов. Это в свою очередь сдерживает разработку практических методов воздействия такими реагентами и разработку технических средств для введения порошкообразных реагентов в облака. Получение такой информации позволит более объективно подходить к разработке практических методов воздействия порошкообразными реагентами.
В связи с этим становится крайне актуальным вопрос проведения экспериментальных и теоретических исследований эффективности различных классов реагентов при их использовании во вновь разрабатываемых технических средствах активного воздействия на облачные процессы.
Цель работы. Проведение лабораторных, численных и натурных исследований эффективности разных типов реагентов и разработка рекомендаций для их оптимального использования.
Для достижения поставленной цели необходимо:
-
Разработать методику оценки льдообразующей эффективности полноразмерных генераторов льдообразующих аэрозолей с учетом естественного разбавления аэрозольной струи при работе генераторов.
-
Разработать лабораторную методику оценки эффективности порошкообразных гигроскопических и гидрофильных реагентов и исследовать эффективность их применения.
-
Провести экспериментальные исследования эффективности льдообразующих реагентов современных пиротехнических и жидкостных генераторов аэрозолей Agl по разработанной методике и выявить факторы, влияющие на их эффективность.
-
Провести численные исследования по оценке эффективности применения льдообразующих реагентов в составе наземных генераторов для различных случаев их применения в натурных условиях.
-
Провести экспериментальные исследования эффективности применения льдообразующих и порошкообразных реагентов в натурных условиях.
-
Разработать рекомендации по оптимальному применению в активных воздействиях реагентов разных типов.
Объект исследования. Объектом исследования является процесс выявления внутренних и внешних факторов, влияющих на эффективность реагентов разных типов.
Предмет исследования. Предметом исследования являются реагенты разных типов, наземные аэрозольные генераторы и методы исследования их эффективности.
Методы исследования. Методами исследования, использованными в настоящей диссертационной работе, являются численные эксперименты процессов воздействия на облака и туманы различными реагентами, лабораторные и натурные эксперименты по исследованию эффективности реагентов с использованием созданных на их основе генераторов.
Достоверность полученных в диссертационной работе результатов и выводов обеспечивается большим объемом проведенных лабораторных, натурных и численных экспериментов по определению эффективности применения реагентов в разработанных на их основе генераторах.
Научная новизна работы.
1. Впервые обоснована и разработана методика оценки эффективности действия
полноразмерных генераторов льдообразующих аэрозолей с использованием
аэродинамического стенда, которая позволяет получать объективную информацию о
льдообразующих характеристиках с учетом естественного разбавления аэрозольной
струи при работе наземных генераторов.
2. С помощью разработанной численной модели Fog Seeding выполнено
теоретическое исследование процесса рассеяния тумана с использованием наземных
генераторов, работающих на основе разных типов реагентов.
3. Впервые в России предложена рецептура ацетонового раствора йодистого
серебра, эффективность которого была исследована с помощью созданного и
прошедшего опытную отработку жидкостного наземного аэрозольного генератор
«НАГ-07А» с непрерывным диспергированием аэрозоля, конструкция которого
подтверждена патентом РФ.
4. На основе результатов лабораторных экспериментов по исследованию
эффективности порошкообразных реагентов были оценены оптимальные размеры
частиц порошков разных классов веществ, показано, что наиболее эффективными с
точки зрения технологии их получения и практического применения являются
порошки, содержащие гигроскопические и гидрофильные компоненты.
-
Впервые в России проведены сравнительные натурные эксперименты по засеву облаков с самолета порошкообразными реагентами двух классов веществ: цемента, имеющего в своем составе растворимый компонент, и гидрофильного диатомита. Результаты экспериментов показали, что в обоих случаях наблюдается увеличение интенсивности осадков, при этом для порошка цемента эффект воздействия наблюдается раньше, чем для порошков гидрофильного диатомита.
-
На основе сравнительных численных расчетов впервые оценена эффективность применения порошкообразного наноразмерного льдообразующего реагента при воздействии на слоистообразную облачность и предложены способы его диспергирования с использованием летательных аппаратов.
Практическая ценность результатов заключается в следующем:
полученные в диссертации данные существенно расширяют понимание зависимости эффективности полноразмерных генераторов аэрозолей Agl от разных факторов, влияющих на выход льдообразующего аэрозоля, и позволяют выработать рекомендации по созданию технологии изготовления пиротехнических составов и ацетоновых растворов, а также рекомендации по разработке и применению средств воздействия на их основе.
проведенная оценка роли вкладов в формирование частиц осадков двух механизмов роста (конденсационного и коагуляционного) позволяет обоснованно подходить к поиску и разработке новых порошкообразных реагентов.
- созданная трехмерная численная модель «Fog Seeding» позволяет при
планировании активных воздействий на туман разработать оптимальную схему
размещения стационарных генераторов и маршруты для мобильных генераторов.
- разработка российского аналога льдообразующего наноразмерного реагента
типа LN-212 позволит существенно повысить эффективность российских
технических средств активных воздействий.
На защиту выносятся:
-
Методика оценки льдообразующей эффективности полноразмерных наземных генераторов льдообразующих аэрозолей.
-
Результаты исследования эффективности льдообразующих реагентов с использованием полноразмерных наземных пиротехнических и жидкостных генераторов аэрозолей Agl.
-
Результаты численных экспериментов по моделированию рассеяния переохлажденного тумана с помощью стационарных и мобильных генераторов на основе йодистого серебра и жидкого азота.
-
Результаты численных экспериментов по моделированию воздействия на слоистообразную облачность с помощью наземных аэрозольных генераторов йодистого серебра.
-
Результаты лабораторных и натурных исследований эффективности порошкообразных гигроскопических и гидрофильных реагентов.
Личный вклад автора. Постановка задачи и выбор метода исследования осуществлены совместно с научным руководителем. Все используемые в диссертации экспериментальные данные, данные численного моделирования и результаты исследования по работе с аэродинамическим стендом получены при непосредственном участии автора. Автором проведено тестирование и отладка трехмерных численных моделей Fog Seeding и Seeding. При непосредственном участии автора произведена разработка наземного аэрозольного генератора «HAT-OVA». Основные выводы работы сформулированы автором самостоятельно.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
Конференции молодых ученых Высокогорного геофизического института, посвященной 100-летию профессора Г.К. Сулаквелидзе (Нальчик, 2013 г.);
Международной научной конференции с элементами научной школы «Инновационные методы и средства исследований в области физики атмосферы, гидрометеорологии, экологии и изменения климата» (Ставрополь, 2013 г.);
Всероссийской открытой конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, посвященной 80-летию Эльбрусской высокогорной комплексной экспедиции АН СССР (Нальчик, 2014 г.);
II Международной конференции «Инновационные методы и средства исследований в области физики атмосферы, гидрометеорологии, экологии и изменения климата» (Ставрополь, 2015 г.);
IV Всероссийской научной конференции «Проблемы военно-прикладной геофизики и контроля состояния природной среды» (Санкт-Петербург, 2016 г.).
III Всероссийской научной конференции «Экология и космос» имени академика К.Я. Кондратьева, посвященной году экологии в РФ (Санкт-Петербург, 2017 г.);
- Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на
гидрометеорологические процессы (Нальчик, 2017 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научные работы, в том числе 4 в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК, получено 3 патента на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержит 132 страницы, 59 рисунков, 5 таблиц.
Льдообразующие реагенты
Наиболее широкое применение в практике активных воздействий на переохлажденные облака и туманы получили так называемые льдообразующие реагенты. Физические принципы воздействия такими реагентами основаны на том, что эти вещества способны создавать искусственные мелкие ледяные кристаллы. Эти кристаллы в переохлажденной части облака, где присутствуют облачные капли при отрицательной температуре, за счет разности давлений насыщенного пара надо льдом и водой начинают быстро расти и, за счет коагуляционных процессов при их седиментации, в дальнейшем становятся зародышами частиц осадков.
В настоящее время известно большое количество веществ и химических соединений, которые могут создавать такие искусственные ледяные кристаллы. По своему действию их можно разделить на два класса реагентов: хладореагенты и льдообразующие реагенты.
а) хладореагенты
При применении хладореагентов реализуется механизм гомогенного образования ледяных кристаллов. Этот механизм основан на быстром понижении температуры облачной среды в месте ввода хладореагента. При таких условиях может происходить как непосредственная кристаллизация переохлажденных облачных капель, так и спонтанная нуклеация ледяных кристаллов, образующихся за счет пересыщений при быстром охлаждении водяного пара. Поскольку концентрация облачных капель невелика, то вклад их в искусственную кристаллизацию облака обычно не учитывают.
Практическая реализация способа инициирования роста ледяных кристаллов за счет гомогенной нуклеации льда при использовании хладореагентов нашла отражение в многочисленных технических средствах, обеспечивающих разбрасывание гранул твердой углекислоты в переохлажденной части облака, испарение низкокипящих газов типа жидкого азота и пропана, а также в средствах, создающих локальное понижение температуры в засеваемой части облака за счет адиабатического расширения газов. При этом вопрос оптимизации процесса формирования ледяных зародышевых кристаллов заключается в выявлении оптимальных с точки зрения затрат условий применения хладореагента в облаке.
Льдообразующая эффективность хладореагентов достаточна хорошо изучена как в лабораторных, так и в натурных условиях [5, 51, 71, 113, 114, 120]. Как показали эти исследования, наиболее эффективными из них являются твердая углекислота и жидкий азот, которые нашли широкое применение в практике активных воздействий.
Углекислота (СО2) является одним из первых хладореагентов, использованном в практике активных воздействий на облака и туман. При пролете в облачной среде гранула твердой углекислоты, имея температуру испарения минус 78,9 С, создает локальные зоны сильного переохлаждения, в которых за счет возникновения высоких пересыщений водяного пара относительно льда происходит спонтанное образование мелких кристалликов льда. Максимальное значение величины выхода ледяных кристаллов из одного грамма испарившейся углекислоты, достигнутое в лабораторных экспериментах составило 7,81013 г-1. При этом было установлено, что температурный порог льдообразования в облаке для твердой углекислоты составляет примерно минус 2,5 0С. На начальном этапе для воздействия на приземные туманы в аэропортах были разработаны углекислотные установки, показавшие высокую эффективность их применения [17, 19, 20, 72]. В настоящее время твердая углекислота, как реагент, регулярно применяется в оперативных работах, например, для рассеяния облаков при улучшении погоды в мегаполисах [44, 47].
Другим хладореагентом, исследованиям льдообразующей эффективности которого в 70-х годах прошлого столетия уделялось большое внимание, был жидкий пропан [50]. Температура испарения этого хладореагента составляет минус 42 0С градусов.
Исследования по изучению возможности применения жидкого пропана для воздействия на приземные переохлажденные туманы в аэропортах впервые были начаты во Франции и США. В ряде натурных опытах было показано, что с помощью жидкого пропана рассеивание тумана может быть получено даже при температурах несколько выше 0 С, когда другие льдообразующие реагенты оказываются неэффективными [50, 103, 132].
Большой цикл работ по изучению эффективности жидкого пропана и разработке методов его применения в практической работе был выполнен в ФГБУ «Центральная аэрологическая обсерватория» [50]. После проведения лабораторных исследований была создана наземная стационарная установка с дистанционным управлением и в 1978-1980 гг. были проведены ее натурные испытания в аэропорту г. Кишинева, которые показали эффективность применения созданного оборудования для рассеяния переохлажденных туманов с целью увеличения видимости на взлетно-посадочной полосе [25, 31].
В процессе проведения исследований, в том числе и натурных экспериментов, был выявлен ряд недостатков, которые не позволили внедрить эту технологию в практику активных воздействий на приземные туманы. Прежде всего, это было связано с высокой пожароопасностью.
С развитием технологий и удешевлением производства сжиженных газов в начале 1980-х годов были начаты исследования по изучению возможности применения в активных воздействиях в качестве хладореагента жидкого азота, температура кипения которого составляет около минус 196 0С. Исследовались два направления возможного применения жидкого азота – сброс в переохлажденное облако предварительно пропитанных жидким азотом пористых гранул и диспергирование жидкого азота через калиброванные сопла. Первый способ является аналогом применения гранул твердой углекислоты. Во способе при истечении холодной струи из сопла происходит вовлечение внешнего влажного воздуха в струю, его резкое охлаждение, приводящее к гомогенному образованию мелких ледяных кристаллов.
Большой цикл работ по выявлению оптимальных условий применения жидкого азота был выполнен в ФГБУ «ЦАО» и ФГБУ «НПО «Тайфун» и на основе результатов этих исследований были разработаны технические устройства (генераторы), которые до настоящего времени применяются в оперативной работе по воздействию на переохлажденные облака. Следует отметить, что приемлемой технологии применения пористых гранул, пропитанных жидким азотом, разработано не было. По своей льдообразующей активности и температурному порогу действия жидкий азот практически не уступает твердой углекислоте.
В это же время были разработаны технические устройства - генераторы, дозаторы для сброса гранул твердой углекислоты и т.п., которые позволяли оптимизировать методики применения хладореагентов для воздействия на переохлажденные облака и туманы. Однако в связи с резким сокращением в 90-х годах исследований в области активных воздействий многие разработки утратили свою актуальность. В частности, разработанные ранее дозаторы для гранул твердой углекислоты, оказались громоздкими и не приспособленными для установки на легкомоторные самолеты. Поэтому в настоящее время они не используются при проведении оперативных работ, что создает необходимость создания новых малогабаритных технических средств, обеспечивающих оптимальные расходы твердой углекислоты.
Разработанные ранее в ФГБУ «ЦАО» наземные генераторы мелкодисперсных частиц льда (ГМЧЛ) не были автономными и не предусматривали возможность управления ими по беспроводным каналам связи. б) льдообразующие реагенты
К льдообразующим реагентам относятся вещества, аэрозольные частицы которых способны в переохлажденной облачной среде создавать на себе ледяные кристаллы. К настоящему времени известно огромное количество неорганических и органических веществ, обладающих такими льдообразующими свойствами [7, 68, 67]. Результаты многолетних исследований, показали, что для практического рассмотрения остаются всего несколько десятков веществ, которые по эффективности льдообразования могли бы быть применимы в активных воздействиях на облачные процессы. Однако ряд технологических ограничений привел к тому, что в настоящее время в практике активных воздействий используется только самый активный реагент - йодистое серебро. В частности, большинство выявленных органических льдообразующих веществ принципиально не может быть переведено в высокодисперсное аэрозольное состояние без разложения (например, некоторые белки и нуклеиновые кислоты, проявляющие льдообразующую активность), поскольку основным методом получения таких аэрозолей является термоконденсационный, при котором вначале вещество переводится в парообразное состояние с последующим резким его охлаждением. Обычно в практике это достигается при горении пиротехнического состава или раствора горючей жидкости, содержащих льдообразующее вещество. Из этого класса веществ достаточно детально были изучены флороглюцин и ацетилацетонат меди [38, 17]. Однако эти вещества не нашли практического применения из-за отсутствия эффективных средств возгонки.
В неорганическом классе веществ наиболее эффективным является йодистое серебро (AgI). Это, прежде всего, связано с тем, кристаллическая решетка AgI близка к кристаллической решетке льда [57, 66]. Следующим по своим льдообразующим свойствам, является йодистый свинец. Однако в настоящее время он не применяется в практике активных воздействий из-за его высокой токсичности.
Численное моделирование активных воздействий на переохлажденный туман
В настоящее время работы по рассеянию переохлажденных туманов становятся оперативными задачами в ряде стран. Особенно сильно влияние туманы оказывают на функционирование аэродромов, на безопасность движения на автодорогах, на работу карьеров и другие виды человеческой деятельности. Численное моделирование естественной эволюции и искусственного рассеяния туманов является полезным средством в планировании и оптимизации работ по активным воздействиям на атмосферные процессы.
К настоящему времени разработаны комплексы двумерных и трехмерных численных моделей облаков и туманов в атмосферном пограничном слое, накоплен большой опыт по моделированию рассеяния низких облаков и туманов наземными средствами [80, 81, 82].
С учетом разработанных моделей и с целью исследования эффективности рассеяния переохлажденных туманов была разработана трехмерная численная модель Fog Seeding.
Численное моделирование эволюции тумана при его естественном развитии и при активном воздействии на туман в модели Fog Seeding выполняется путем численного решения уравнений гидро- и термодинамики. Начальными данными для моделирования служат данные о географическом положении региона, о его рельефе, свойствах подстилающей поверхности, радиозондовые данные, наземные метеорологические данные и начальные параметры тумана. При моделировании активного воздействия на туман к начальным данным добавляются данные о мишени (площадь, которую надо раскрыть от тумана) и данные о параметрах воздействия.
Вертикальная координата Z отсчитывается от поверхности рельефа местности: Z=z-ht, (2.3) де z - декартова вертикальная координата и hj– высота рельефа.
Вертикальная скорость W в системе, учитывающей рельеф местности, определяется как: дх ду де w - вертикальная скорость ветра в декартовых координатах, и и v -горизонтальные составляющие скорости ветра.
В модели используются две трехмерные разностные сетки с общим числом узлов 100х100х100 каждая. Одна из сеток является фоновой по отношению к другой сетке, которая вложена в первую и имеет меньший шаг. Фоновая сетка применяется для определения начальных полей скорости ветра, вертикальной скорости, давления, температуры и влажности воздуха. Поля горизонтальных составляющих скорости ветра, давления, температуры и влажности воздуха рассчитываются путем интерполяции на узлы сетки радиозондовых данных или данных численного прогноза. При расчте вертикальной скорости воздуха используется уравнение сохранения массы: где - плотность воздуха(кг/м3); u, v–горизонтальные составляющие скорости ветра (м/с).
Когда поток воздуха обтекает неровности рельефа местности, возникают вертикальные движения воздуха. Возвышенности также могут блокировать поток, вынуждая поток обтекать их сбоку. Возникающие вертикальные скорости и изменения горизонтальной скорости воздуха, вызываемые неровностями рельефа, учитываются в параметризованном виде [122]. Горизонтальные и вертикальная составляющие скорости ветра оказываются несогласованными в смысле сохранения массы по уравнению (2.5). Для согласования составляющих скорости ветра выполняется итерационная процедура минимизации дивергенции с помощью уравнения (2.6). Вычисления продолжаются, пока в каждом узле разностной сетки дивергенция не станет меньше определенного максимально допустимого значения = 10-7:
Атмосферный пограничный слой рассчитывается с помощью метода энергетического баланса [121]. Исходными данными служат данные наземных метеорологических наблюдений.
Энергетический баланс на подстилающей поверхности имеет вид: Q + Qf = Qh + Qe + Qg, (2.7) где Q – радиационный баланс (Вт/м2), Qf – антропогенный тепловой поток (Вт/м2), Qh – ощутимый тепловой поток (Вт/м2), Qe – скрытый тепловой поток (Вт/м2) и Qg – тепловой поток в почву (Вт/м2). Составляющие баланса (2.7) параметризуются согласно [99, 108, 117].
Высота пограничного слоя h при различных стратификациях температуры определяются с помощью процедур, описанных в [122]. Характеристики турбулентности в пограничном слое рассчитываются с применением теории подобия и эмпирических формул [121]. Скорость ветра в нижнем расчетном слое модели интерполируется с помощью формул теории подобия.
Вычисленные для фоновой сетки значения начальных полей интерполируются на вложенную сетку, на которой также задаются начальные поля микрофизических параметров тумана.
Областью решения уравнений модели является вложенная сетка. С помощью модели Fog Seeding может быть рассчитано искусственное рассеяние переохлажднного тумана при отрицательных температурах путем воздействия на него льдообразующими реагентами и хладореагентами. Состояние тумана на момент начала воздействия задатся, расчт первоначального формирования тумана в модели не выполняется. В модель включено два вида частиц: капли тумана и кристаллы, образующиеся в результате активного воздействия. Эволюция тумана после активного воздействия описывается следующей системой уравнений:
1. Уравнение для изменения удельной влажности воздуха: где q - абсолютная влажность воздуха (кг/кг), ґ–время (с), ( –источники и стоки влажности (кг/кгс), F –изменение влажности вследствие турбулентного переноса (кг/кгс).
2. Уравнение для изменения водности тумана: где Mw – водность (кг/кг), t–время (с), Qw–источники и стоки водности (кг/кгс), Fw–изменение водности вследствие турбулентного переноса (кг/кгс). Выражение для Fw аналогично выражению (2.9).
3. Уравнение для изменения концентрации ледяных кристаллов, образовавшихся в результате воздействия: где Ni – концентрация ледяных кристаллов (1/кг), t–время (с), vN–средняя скорость падения кристаллов (м/с), QN–источники и стоки концентрации кристаллов (1/кгс),FN–изменение концентрации кристаллов вследствие турбулентного переноса (1/кгс). Выражение для FN аналогично выражению (2.9).
4. Уравнение для изменения массы ледяных кристаллов, образовавшихся в результате воздействия: где Mi – общая масса ледяных кристаллов (кг/кг), t–время (с),vM–среднемассовая скорость падения кристаллов (м/с),QM–источники и стоки массы кристаллов (кг/кгс), FM–изменение массы кристаллов вследствие турбулентного переноса (кг/кгс). Выражение для FM аналогично выражению (2.9).
В модель включены микрофизические процессы конденсации и испарения капель тумана и диффузионного роста и испарения ледяных кристаллов, которые образуются при активном воздействии. Предполагается, что облачные капли и ледяные кристаллы имеют гамма-распределение по размерам: где Np - концентрация частиц того или иного вида, г– радиус частиц. Показатель ju имеет следующие значения: ц = mm(15,103/ 2) для облачных капель и /ис= 2 для ледяных кристаллов [131].В распределении капель параметр Хр равен:
Следствием (2.13), (2.20) и (2.21) является выражение для источника массы ледяных кристаллов обусловленное их диффузионным ростом или испарением QM:
В модель включены микрофизические процессы конденсации и испарения облачной воды и процессы диффузионного роста и испарения ледяных кристаллов.
При расчете конденсации облачной воды предполагается, что при повышении влажности воздуха выше насыщающей вся избыточная влага мгновенно конденсируется. Если влажность понижается ниже насыщающей, то мгновенно испаряется количество воды, необходимое для восстановления насыщающей влажности. Если воды недостаточно для достижения насыщающей влажности, то в этом месте туман полностью испаряется.
Расчет диффузионного роста и испарения ледяных кристаллов выполняется с учетом пересыщения относительно льда по формуле (2.22).
Указанные микрофизические процессы определяют источники и стоки водяного пара. Имеет место соотношение:
При моделировании активного воздействия на туман в заданных местах расположения генераторов в заданные отрезки времени вводятся искусственные ледяные ядра. Количество образующихся ледяных ядер QN задавалось в пределах 2109 - 51011 ч/с на каждый из генераторов [45].
Результаты натурного эксперимента по оценке эффективности порошкообразных реагентов гигроскопических веществ
Натурный эксперимент по воздействию на облака солевым порошком, разработанным НПО «Тайфун», проводился в районе Москвы 11 сентября 2016 г. [27]. В этот день московский регион находился в области волнового возмущения на линии фронта с плотной слоисто-дождевой облачностью (Ns), из которой выпадали слабые и умеренные осадки. Перемещение облачных масс происходило с северо-западным ведущим потоком вдоль линии фронта. Эксперимент по воздействию солевым порошком проводился в 12:50-13:00 МСК на периферии фронтальной полосы вблизи города Можайска (Рисунок 3.6). На снимке со спутника Метеосат-10 показан район проведения работ по воздействию. В период проведения воздействий в данном районе во фронтальных слоистообразных облачных полях наблюдались зоны затопленной конвекции. Воздействия производились на облачные ячейки (скопления), состоящие из высококучевых (Ac) и слоисто-дождевых облаков (Ns). На рисунке 3.7 показан снимок верхней границы облачного поля, полученный с самолета-лаборатории ЯК-42 во время проведения работ по воздействию. На снимке видны вершины кучевых облаков, выступающих на фоне слоисто-дождевой облачности.
По данным аэрологического зондирования (Рисунок 3.8) атмосфера была стратифицирована устойчиво. Нулевая изотерма находилась на высоте 2661 м. Температура на верхней границе облаков (около 4 км) была минус 5С. Нижняя граница облаков наблюдалась на высоте около 600 м. В районе проведения работ по воздействию наблюдались слабые моросящие осадки.
Засев облаков производился в 12:51-12:57 МСК (09:51-09:57 UTC) на высоте 3650 м. Воздействие производилось путем сброса в вершины облаков с самолета АН-26 упаковок с солевым порошком, имеющим модальный размер частиц около 5 мкм [28]. Всего было сброшено 8 упаковок по 10 кг порошка в каждой. Засев производился в 12:51-12:57 МСК (09:51-09:57 UTC) на высоте 3650 м. Контроль за эволюцией облаков после воздействия осуществлялся с помощью метеорологического радиолокатора ДМРЛ-С (Внуково).
На рисунке 3.9 показана цифрокарта распределения интенсивности осадков во время засева облаков. На карту нанесена траектория полета АН-26 и места сброса упаковок с порошком.
На рисунках 3.10, 3.11, 3.12 и 3.13 показаны горизонтальные сечения облаков по высоте 2 км, полученные ДМРЛ-С в процессе эволюции облаков в ходе натурного эксперимента. На рисунках также приводятся вертикальные сечения облачности в плоскостях, отмеченных на карте красной линией.
Для оценки эффекта воздействия анализировались изменения максимальной радиолокационной отражаемости, интенсивности и количества осадков, высоты верхней границы облаков.
В качестве контрольных облаков были выбраны облака, находящиеся с объектом воздействия на одной линии, перпендикулярной направлению смещения облачности, совпадающему с направлением северо-западного ведущего потока вдоль линии облачного фронта. Направление перемещения облаков показано на рисунках желтой стрелкой.
Как видно из рисунка, эффект воздействия начинает проявляться через 10-20 мин. после засева облачности. При этом возрастает радиолокационная отражаемость подвергнутого воздействию облака и увеличивается интенсивность выпадающих из него осадков. Максимальная интенсивность осадков достигала 3 мм/час через 40 мин после воздействия. Интенсивность осадков из контрольных облаков в это же время не превышала 0,6 мм/час. Верхняя граница облака после воздействия также возрастает, что является признаком интенсификации в облаке процессов осадкообразования. Выпадение дополнительных осадков из облака наблюдалось в течении 1 часа. Суммарное количество осадков из засеянного облака составляет 1,7 мм, в то время как из контрольных облаков количество осадков составило 0,5 мм. Таким образом, в результате воздействия солевым порошком из засеянного облака дополнительно выпало 1,2 мм осадков.
Результаты проведенного натурного эксперимента показывают, что разработанный в НПО «Тайфун» гигроскопический реагент - солевой порошок может быть успешно использоваться для воздействия на облака с целю получения дополнительных осадков. Для реализации метода воздействия такими порошками необходимо проведение дополнительных исследований по разработке технических средств их диспергирования в облаке и выявлению оптимальных условий их применения.
Численный эксперимент по воздействию на слоистообразную облачность наноразмерным реагентом с дистанционно пилотируемого летательного аппарата (гексакоптера)
Значительно меньшие расходы реагента LN-212, необходимые для получения положительного эффекта воздействия, по сравнению с традиционными пиротехническим составами, позволяют рассматривать возможность применения малых летательных аппаратов для доставки и диспергирования реагента в облаке.
С целью оценки такой возможности было проведено численное моделирование процесса воздействия с помощью гексакоптера. Моделирование проводилось при тех же метеорологических условиях, что и в предыдущем случае, под основание слоистообразной облачности с помощью гексакоптера, летящего с горизонтальной скоростью 50 км/ч. Гексакоптер производил засев по двум линиям протяженностью 30 км.
На рисунках 4.4, 4.5 и 4.6 показаны изменения водности, концентрации искусственных кристаллов и интенсивности осадков.
Анализ результатов расчетов показал, что диспергирование реагента LN-212 под основание облака с помощью гексакоптера приводит к изменению водного слоя облачности и изменению интенсивности осадков.
Полученные результаты расчетов позволят сделать вывод о возможности использования в активных воздействиях на облачность и переохлажденные туманы как пилотируемых, так и беспилотных летательных аппаратов, оборудованных устройством для диспергирования таких порошков.