Математическое моделирование электродинамических процессов в приземном слое в условиях аэрозольного загрязнения атмосферы

• Автор: Редин, Александр Александрович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 183 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ С УЧЕТОМ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ.

1.1. Современные теоретические представления об электродинамике

АТМОСФЕРНОГО ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ

1.2. Постановка задачи моделирования электродинамической структуры атмосферного приземного слоя.

1.3. Анализ уравнений электродинамической модели

1.4. Дискретные модели электродинамикиприземного слоя атмосферы,

основанные на двухпараметрических схемах с весами.

Основные результаты главы 1.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСКРЕТНОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ.

2.1. Погрешность аппроксимации разностных схем
2.1.1. Погрешность аппроксимации неявной схемы.
2.1.2. Погрешность аппроксимации симметричной схемы
2.1.3. Погрешность аппроксимации схемы Предикторкорректор
2.2. Погрешность аппроксимации граничных условий
2.3. Устойчивость разностных схем.
2.4. Консервативность разностных схем.
2.5. Сравнение рассмотренных схем.
Основные результаты главы 2.
ГЛАВА 3. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ.
3.1. Общие сведения о программе.
3.2. Подход к организации программы.
3.3. Логическая структура программы.
3.4. Программная реализация модели.
3.5. Используемые технические средства.
3.6. Вызов и загрузка программы
3.7. Выходные данные программы.
Основные результаты главы 3
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ
4.1. Моделирование электродинамической структуры турбулентного приземного слоя в зависимости от концентрации аэрозольных частиц в атмосфере
4.2. Моделирование электродинамической структуры приземного слоя при наличии конвективного переноса
4.3. Формирование электродинамической структуры приземного слоя под действием электрического поля.
4.4. Электродинамическая структура приземного слоя в зависимости от степени ионизации воздуха.
4.5. Электродинамическая структура приземного слоя в зависимости от типа стратификации атмосферы
4.6. Механизмы формирования электродинамических структур в условиях аэрозольного загрязнения атмосферы
4.8. Моделирование электродинамической структуры приземного слоя атмосферы при наличии многократно заряженных аэрозольных частиц различных размеров
4.9. Сравнение теоретических результатов с экспериментальными
данными.
Основные результаты главы 4.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Исходя из того, что в практике регулярных наблюдений за атмосферным электричеством обычно используются часовые или трехчасовые осреднения экспериментальных атмосферно-электрических данных [], долгое время при моделировании электродинамики, атмосферного приземного слоя считалось вполне достаточным стационарное приближение. Достаточно полный обзор стационарных моделей электродного эффекта приведен в работах Куповых Г. В., Морозова В. Н., Шварца Я. М. [] и Морозова В. Н. []. Отметим, что впервые стационарная электродинамическая модель приземного слоя с учетом аэрозольных частиц в атмосфере была построена в работах Schweidler E. R. [] и Scholz J. Решения были получены аналитически для случая, когда количество тяжелых ионов превышает число легких ионов. Для преодоления физических допущений, упрощающих математическую модель, Hoppel W. A. [] впервые применил численный метод для решения уравнений, описывающих стационарный электродный эффект. В работе Норре1 АУ. А., ваШтап Б. О. [] рассмотрен приземный слой в условиях аэрозольного загрязнения атмосферы в приближении турбулентного электродного эффекта. Кроме того, что в правую часть ионизационнорекомбинационных уравнений добавлены члены, описывающие взаимодействие легких ионов с аэрозольными частицами, система дополнена уравнениями, описывающими турбулентный перенос образовавшихся тяжелых ионов. В работах [^,,] проведено численное моделирование электрической структуры стационарного приземного слоя в приближениях классического и турбулентного электродного эффекта без вышеописанных упрощений. При этом предполагались выполненными условия равновесия между аэрозольными частицам и легкими ионами, а также пренебрегалось током заряженных тяжелых ионов. Следует отметить, что в работе [] экспериментальные данные [] использовались для верификации моделей. Интересными представляются работы [,], в которых стационарная модель турбулентного электродного слоя в свободной от аэрозоля атмосфере используется для оценки вариаций электрической структуры приземного слоя по экспериментально полученным атмосферно-электрическим и метеорологическим параметрам. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами, полученными в работе []. Стационарные модели электродного эффекта не дают ответа на вопрос о характерном времени установления того или иного стационарного-состояния и его зависимости от параметров процесса, поэтому возникла необходимость развития нестационарных электродинамических моделей приземного слоя атмосферы. Впервые модель нестационарного турбулентного электродного эффекта, исходными уравнениями которой являлись уравнения баланса для концентрации легких ионов и уравнение Пуассона, рассмотрена в работе Latham D. G., Poor H. W. []. При этом учитывалось турбулентное перемешивание и наличие аэрозольных частиц в атмосфере. Однако модель была сильно упрощена: коэффициент турбулентной диффузии и профиль интенсивности ионообразования задавались постоянными. В качестве начальных и граничных использовались стационарные условия, аналогичные классическому электродному эффекту [], что не совсем правомерно. При этом плотность полного тока считалась постоянной. В результате численного моделирования получено, что время установления электрической структуры составляет приблизительно мин. В работе Красногорской Н. В. [] исследован случай нестационарной электрической структуры в приземном слое атмосферы. При этом упрощением являлось предположение о постоянстве электрического поля. Автором получено, что время установления электрической структуры уменьшается с увеличением степени турбулентного перемешивания, что противоречит результатам работы []. При этом предположение о неизменяющемся с высотой электрическом поле противоречит основам теории электродного эффекта. Остановимся более подробно на анализе современных работ по математическому моделированию электродинамики приземного слоя атмосферы Морозова В. Н., Куловых Г. В., Клово А. Г., Марченко А. Г., Болдырева A. C. [,, ,,]. В них авторами успешно применены численные методы решения нестационарных электродинамических уравнений, что позволило отказаться от большинства рассмотренных выше допущений и упрощений.