В связи с этим возникает необходимость изучения методик количественной оценки последствий аварий и пожаров.

В случае выброса топлива в атмосферу из наружных установок для расчета параметров ударных волн и расчета последствий при взрыве облака топливно-взрывной в смеси (ТВС) в руководстве по безопасности [1] одним из параметров который следует учитывать является средняя концентрация горючего вещества в смеси.

Также при расчете параметров волны давления при сгорании газо-, паро- и пылевоздушных смесей в открытом пространстве в соответствии с методикой Приложения Е ГОСТ 12.3.047-2012 [2] одним из ключевых данных является концентрация горючего вещества в смеси.

Однако так как атмосфера практически всегда находится в турбулентном состоянии и ее параметры (температура, компоненты скорости, потоки тепла, содержание примесей) всегда непрерывно изменяются. Таким образом возникает необходимость изучения влияния турбулентности атмосферы на величину концентрации.

Наиболее емкое и содержательное определение турбулентности принадлежит П.Брэдшоу (1971) [3]: «турбулентность – это трехмерное нестационарное движение, в котором вследствие растяжения вихрей создается непрерывное распределение пульсаций скорости в интервале длин волн от минимальных, определяемых вязкими силами, до максимальных, определяемых граничными условиями течения. Турбулентность является обычным состоянием движущейся жидкости, за исключением течений при малых числах Рейнольдса».

В турбулизированной атмосфере происходит эволюция уровня поля концентраций, обусловленная тем, что средние по времени характеристики поля скорости турбулентных движений зависят от длины интервала осреднения.  Сущность этого явления определяется специфичностью воздействия турбулентных вихрей различного масштаба на процесс рассеяния примеси во всевозможных его стадиях, проявляющийся ключевым образом в горизонтальной диффузии [4].

Н. К. Винниченко, Н. 3. Пинус, С. М. Шметер, Г. Н. Шур [5] также в своей монографии утверждают о влиянии наличия неоднородностей, или так называемых турбулентных вихрей, перемешивающих струи и влияющих на концентрацию примеси.

Методология описания турбулентных течений, сущность которой заключается в представлении моментальных значений всех гидродинамических величин (скорости, плотности, температуры и т.д.) в виде суммы осредненных (по времени или же по ансамблю) и пульсационных (турбулентных) элементах была сформулирована Рейнольдсом [6]. Суть метода Рейнольдса состоит в осреднении мгновенных значений пульсирующих гидродинамических параметров в пределах некоторого промежутка времени Т [7].

Во второй работе Рейнольдса, относящейся к 1894 г. [8, 9], впервые было предложено представлять мгновенные значения всех гидродинамических величин в турбулентном течении в виде суммы осредненных (регулярных) и пульсационных составляющих.

где  – средняя скорость, м/с;

- пульсационная скорость, м/с.

В данном случае возможно ограничиться только исследованием осредненных величин, сравнительно плавно меняющихся во времени и пространстве. Wyngaard John [10] приводит в своей книги три способа получения среднего значения любого параметра турбулентной атмосферы: теоретическое Колмогорова; пространственное; временное. С другой стороны, Монин А.С., Яглом А.М. [9] утверждают, что на практике при определении среднего значения чаще всего пользуются временным или пространственным осреднением по какому-либо промежутку времени или области пространства.

В случае атмосферной турбулентности выбор множества аналогичных опытов представляет большие трудности, так как здесь «внешние условия» (в первую очередь метеорологические условия) не могут быть повторно воспроизведены по нашему желанию.

Очевидно, что единственным практически реализуемым способом получения среднего значения параметра атмосферы является временное осреднение [11].

Для изучения зависимости концентрацию примеси в воздухе от периода осреднения проведены экспериментальные исследований в турбулентном и ламинарном режиме движении воздуха.

При нормальных условиях в помещении скорость движения постоянна и перемещение частиц в воздухе происходит равномерно, т.е. в помещении наблюдается ламинарное движение.

Объектом исследования является примесь в атмосферном воздухе. В качестве предмета исследования рассмотрена зависимость величины концентрации примеси от периода осреднения.

При использовании горючих веществ имеется опасность их взрыва и загорания. Однако при проведении эксперимента с целью обеспечения пожарной безопасности при проведении опытов используется негорючая примесь – углекислый газ.

В лабораторных условиях воздух имеет ламинарный режим движения, характеризующийся упорядоченным движением частиц воздуха по параллельным траекториям. Перемешивание в потоке происходит в результате взаимодействия микрочастиц среды (атомов, молекул, ионов и т. п.), параметры течения (температура, скорость, давление и концентрация примесей) являются гладкими функциями координат и времени.

В лабораторных условиях турбулентный режим создавался с помощью вентилятора – приводимое двигателем устройство для создания потока воздуха. Поэтому частицы среды двигались по сложным, ломаным, взаимно пересекающимся траекториям, перемешивание происходило значительно интенсивнее, чем при ламинарном режиме. Кроме того, турбулизация воздушного потока в лабораторных условиях произведена с помощью электрической плитки (источник восходящего теплового воздуха).

Для изучения зависимости необходимое количество жидкого диоксида углерода из баллона направляли в емкость вручную нажатием на рычаг, каждая порция CO2 при этом переходила в твердое состояние, образуя шапку сухого льда на дне емкости.

В последующем углекислый газ испарялся, переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное. Далее датчик качества воздуха, расположенный над ванной, регистрировал мгновенные концентрации СО₂ в воздухе в соответствии заданным с периодом опроса датчика качества воздуха CCS811 в течении 50 минут. Так как углекислый газ тяжелее воздуха, датчик был закреплен над емкостью, в который подавался углекислый газ из углекислотного баллона огнетушителя. Для каждого эксперимента проведено по 3 опыта.

Результаты исследования обработаны с помощью персонального компьютера в соответствии с периодом осреднения 10 мин, 5 мин, 2 мин и 1 мин.

В таблице 1 представлены результаты осреднения концентрации при ламинарном режиме.

Таблица 1 – Результаты концентрации в мг/м³ при ламинарном движении

Зависимость концентрации от периода осреднения при ламинарном движении отображена на рисунке 1.

При ламинарном движении скорость движения воздуха и температура постоянна. Как видно из графика период осреднения не влияет на концентрацию.

В таблице 2 представлены результаты осреднения концентрации при преобразовании ламинарного режима в турбулентный 2 способами:

1- комбинированный (вентилятор и электрическая плитка);

2 – механический (вентилятор).

Таблица 2 – Результаты концентрации в мг/м³ при турбулентном движении

Зависимость концентрации от периода осреднения при турбулентном движении отображена на рисунке 2 и 3.

При комбинированном способе создаются разномасштабные турбулентные вихри, оказывающие сильное влияние на рассеивание примеси. Следовательно, период осреднения оказывает влияние на концентрацию примеси. На графике рисунка 2 заметно различие концентраций, соответствующих периодам осреднения 1 и 10 минут.

На графике рисунка 3 заметно различие концентраций, соответствующих периодам осреднения 1 и 10 минут, по величине примерно соответствующее комбинированному способу создания турбулентности. Это говорит о том, что ведущим механизмом ее генерации является динамическая турбулентность.