稳定、中性条件风速标准差对烟幕扩散的影响

2021-07-20徐路程肖凯涛宋伟伟李庆伟

科学技术与工程 2021年17期

徐路程，肖凯涛，宋伟伟，张奇，李庆伟

(1.军事科学院防化研究院，北京 102205；2.国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 102205)

烟幕是通过发烟装备人工造成的能在一定时间和空间范围内有效遮蔽可见光、红外目标，或者有效衰减可见光，干扰红外、激光、毫米波等电磁辐射的气溶胶或类似体系[1]。烟幕通过改变光辐射大气传输特性，从而掩盖要保护的目标，使敌方光电成像系统丢失目标，或使光电制导系统降低命中精度或脱靶[2]。因较高的效费比、主动防护特点以及在对抗光电制导武器方面具有显著成效，烟幕受到各国军队的普遍重视[3-4]。

作为一种气溶胶体系，烟幕具有一般气溶胶污染物跟随大气扩散传播的所有属性，其运动变化规律同样遵循湍流扩散规律。黄倩等[5]认为，决定大气稀释扩散速率的最终因子是大气运动的性质，即风和湍流。

很多研究都关注了风速或包括风速在内的常规气象要素对于大气扩散的影响。于潇萌等[6]分析了不同风速条件对单点源排放的污染物浓度时空分布、粒子抬升高度、污染物扩散范围产生的影响。缪明榕等[7]分析了南通市大气污染浓度的变化情况以及与风速、风向、气温、气压、降水、相对湿度等气象因素之间存在的关系。

也有一些研究在考虑大气扩散过程中同时考虑了风速和大气稳定度的影响。大气稳定度是大气边界层和大气环境中最重要的参数之一，可以通过气温的垂直分布表征，直接影响湍流活动的强弱，进而影响污染物的输送和扩散[8-10]。实际的大气中可能出现三种层结：稳定层结、中性层结、不稳定层结。关于大气稳定度的分类和判定有多种方法，包括P-T方法(帕斯奎尔-特纳尔判据)、ΔT法、ΔT/U法、ΔT/U2法、辐射法、风向标准差法、SR数表示法等[1, 11-13]。其中，P-T方法是最为广泛使用的一种方法，这种方法将大气稳定度划分为A、B、C、D、E、F共6个级别。彭星煜等[14]、Mao等[15]分别采用P-T方法确定大气稳定度，并运用高斯模型研究了污染物扩散过程中受风速和大气稳定度影响的浓度变化趋势和扩散分布规律。现行发烟装备评价使用的相关标准中以SR数作为稳定度判据，这种方法以4 m高度温度与0.5 m高度温度的差值和2 m高度风速的平方的比值来表示，并以此为依据换算为P-T方法的稳定度等级[1,3,13]。

但有研究[5]认为，在大致相同的宏观气象条件(如类似的风速和气温条件)下，湍流的性质可以有相当大的差异，仅根据宏观气象条件来划分并使用稳定度级别是过于粗糙的。因此，有必要考虑相同稳定度等级中由湍流带来的扩散差别。

经验表明，稳定和中性条件对于形成稳定、有效遮蔽长度大的地面遮蔽烟幕比较有利[1,16-17]。因此，现通过稳定和中性条件下现场观测，了解湍流观测数据——风速标准差与稳定度类别的关系，并用现场观测数据计算烟幕扩散效果，探究不同风速标准差对于扩散的影响程度，这方面工作还不多见，但对于发烟装备评价和使用具有很强的现实意义。

1 资料与方法

1.1 试验场地及观测仪器

2019年8月19日—9月2日，在内蒙古兴安盟科尔沁右翼前旗(北纬46°01′,东经122°30′)开展了近地层气象观测，使用的气象传感器为两台芬兰Vaisala公司生产的HMP155A温度相对湿度传感器和一台美国Campbell公司生产的CSAT3三维超声风速风向传感器，通过美国Campbell公司生产的CR1000数据采集器进行数据采集。两台温度相对湿度传感器分别架设在4 m和0.5 m高度，采样频率为1 Hz。三维超声风速风向传感器架设在2 m高度，采样频率为10 Hz。

1.2 数据预处理方法

为获得稳定和中性条件下的数据，试验一般选择在无雨的傍晚至凌晨进行气象观测，以10 min为一个统计周期，共获得了197个统计周期的观测数据。

1.3 稳定度分类判据SR数

如前所述，发烟装备试验和作用空间范围较小，常采用SR数表示法判断大气稳定度[1,13]。对采集数据进行预处理后，可以通过式(1)计算每个统计周期内的SR数[1,13]，并参照表1确定稳定度类别。

表1 SR数表示法和P-T(帕斯奎尔-特纳尔)判据的对应关系[1]

(1)

1.4 烟幕大气扩散及有效遮蔽区域计算

文献[3,20]认为，高斯烟羽模式适用于战场烟幕使用的浓度计算与预测。坐标系设定如图1所示，x+方向与平均风速方向一致，z+方向竖直向上，y+方向由右手定则确定。对于有界的情况，高斯烟羽模式[8]可以表示为

图1 坐标系示意图

(2)

式(2)中：Q为点源源强，g/s；H为源高，m；σy、σz为y方向和z方向上的大气扩散参数，m。

当从横风方向观察时，即沿y轴方向观察时，对高斯烟羽模式在y方向积分可得

(3)

当给定烟幕的遮蔽质量Mb时，即可用此值为阈值绘制式(3)的等值线，等值线包围区域即为有效遮蔽区域，进而可以求得有效遮蔽区域的长度、高度和面积。

在试验已经得到σw的前提下，大气扩散参数σz可以通过扩散函数法求得。在均匀定常条件下，粒子位移的总体平均由泰勒公式[8]表述为

σy=σvTf1(T/Ty)

(4)

σz=σwTf2(T/Tz)

(5)

式中：T为扩散时间，s；Ty为y方向的拉格朗日湍流时间尺度，s；Tz为z方向的拉格朗日湍流时间尺度，s；f1、f2为普适函数，形式采用计算精度较好的Draxler经验公式[21]，函数形式为

f1(T/Ty)=1.0/[1+0.9(T/Ty)0.5]

(6)

f2(T/Tz)=1.0/[1+0.9(T/Tz)0.5]

(7)

稳定条件下，Ty取为300 s，Tz取为50 s；中性条件下，Ty取为300 s，Tz取为100 s[21]。使用的源项参数如表2所示。

表2 源项参数

雾油烟幕对可见光的遮蔽质量Mb为0.88 g/m2[1]。

2 结果与讨论

2.1 风速分量标准差分析

按照表1对稳定度的判定规则，经计算SR数，197个统计周期可以分为D类(3次)、E类(37次)、F类(157次)。D、E、F稳定度条件下，3个风速分量标准差σu、σv、σw与SR数和平均风速的关系如图2和图3所示。

图2 D、E、F稳定度条件下各风速分量标准差与SR数的关系

图3 D、E、F稳定度条件下各风速分量标准差与平均风速的关系

从图2中可以看出：总体上，3个风速分量标准差随着稳定度的增强有显著的下降趋势，但不同的稳定度条件下，风速分量标准差分布区间有重叠，如表3所示。3种稳定度条件下，基本都表现出σu>σv>σw的趋势。

表3 不同稳定度条件下风速分量标准差的分布区间

从图3中可以看出：整体上看，相对稳定的稳定度分类中平均风速和3个风速分量标准差较小，3个风速分量标准差随着平均风速的增大而增大的趋势比较明显。即使在相同的稳定度类别和近似的平均风速条件下，3个风速分量标准差不是单一对应的，而是存在一个分布范围，以F类稳定度、平均风速为2 m/s左右[(2±0.05)m/s]为例，3个风速标准差的分布范围分别为[0.093,0.436]、[0.083,0.352]、[0.022,0.199]m/s，上下限分别相差4.7、4.2、9倍。

2.2 烟幕有效遮蔽区域分析

从图4中可以看出，平均风速和w风速标准差σw对于烟幕的有效遮蔽区域的长度、高度、面积有明显的影响。从图4(a)和图4(d)可以发现，有效遮蔽区域高度与平均风速之间，有效遮蔽区域长度与w风速标准差σw之间分别近似为单调关系：随着平均风速增加，有效遮蔽区域高度减小，随着w风速标准差σw增加，有效遮蔽区域长度减小。而有效遮蔽区域长度与平均风速之间，有效遮蔽区域高度与w风速标准差σw之间的关系不明显。这说明烟幕有效遮蔽区域长度的主导因素为w风速标准差σw，烟幕有效遮蔽区域高度的主导因素为平均风速，而烟幕有效遮蔽区域的面积受到平均风速和w风速标准差σw的综合影响。进一步的，可以进行定量分析：对于平均风速为2 m/s左右[(2±0.05)m/s]的情况，烟幕有效遮蔽区域长度的分布区间为[69.66,1 725.38]m，有效遮蔽区域高度的分布区间为[3.37,3.41]m，有效遮蔽区域面积的分布区间为[79.17,1 724.12]m2，这说明在风速一定的情况下，有效遮蔽区域的高度基本稳定，而由于风速脉动的程度不同，有效遮蔽区域的长度和面积的最大，最小值可能相差20倍。对于其他的平均风速，有效遮蔽区域的长度、面积的最大，最小值可能相差上百倍。基于以上分析，在发烟装备评价和使用过程中，仅以平均风速和稳定度类别作为气象参数要求是不够的，同样的平均风速和稳定度类别条件下，风速标准差有一定的分布范围，而这样的分布会导致烟幕有效遮蔽的区域产生量级上的变化。因此, 在发烟装备评价和使用过程中，测定并参考风速标准差是很有必要的。