Параллельная реализация математической модели атмосферной диффузии для исследования распределения первичных и вторичных загрязнителей воздуха над урбанизированной территорией

• Автор: Беликов, Дмитрий Анатольевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 177 с. : ил.

Оглавление
Введение.

Глава 1 Обзор литературы по моделированию переноса примеси в

атмосферном пограничном слое.

1.1 Основные загрязнители приземног о слоя атмосферы и количественные оценки КАЧЕСТВА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В РОССИИ.

Фотохимический цикл образования озона.

Количественные оценки качества атмосферного воздуха в России

1.2 Влияние метеорологических условий на распространение и рассеяние примеси

1.3 Системы мониторинга и прогноза качества воздуха в рег иональном и городском масштабах

Информационноизмерительные системы.

Информационновычислительные системы

Модели атмосферного пограничного слоя.
1.4 Основные уравнения, используемые при моделировании АПС.
Уравнение неразрывности.
Уравнение состояния.
Уравнение баланса температуры.
Уравнения движения
Уравнения сохранения других переносимых субстанций
Уравнения, описывающие среднее движение.
Система осредпениых по Рейнольдсу уравнений в приближении Буссинеска
1.5 Модели турбулентности
Простейшие полуэмпирические модели турбулентности.
Однопараметрические модели турбулентности.
Двухпараметрические модели турбулентности.
Модели турбулентности с уравнениями для напряжений Рейнольдса и турбулентных
потоков тепла и массы.
Другие подходы к моделированию турбулентных течений.
1.6 Моделирование переноса примеси.
Модели гауссова типа
Прогностическая эйлерова модель переноса примеси
Лаграижева дисперсностохастическая модель
1.7 Моделирование образования вторичных загрязнителей атмосферного воздуха
1.8 Основные задачи моделирования.
Глава 2 Математическое моделирование переноса примеси и образования вторичных загрязнителей в однородном атмосферном пограничном слое.
2.1 Физическая постановка задачи
2.2 Прогностическая пространственная модель переноса примеси с учетом
химических и фотохимических реакций.
Замыкание уравнения переноса
2.3 Кинетические схемы химических и фотохимических реакций.
Модуль
Полуэмпирическая модель .
Сокращенный кинетический механизм
2.4 Начальные и граничные условия. Осаждение и эмиссия.
2.5 Расчет метеорологических параметров и турбулентной структуры с
использованием мезомасштабных метеорологических моделей.
2.6 Расчет метеорологических параметров и турбулентной структуры с
использованием нестационарной модели однородного АПС
Основные уравнения модели однородного АПС.
Моделирование турбулентного переноса
Граничные условия для модели АПС
Начальные условия для модели АПС
Усвоение данных наблюдений в модели АПС.
2.7 Выводы
Глава 3 Метод решения задачи
3.1 Построение вычислительной сетки.
3.2 Разностная схема для пространственного уравнения переноса примеси.
Аппроксимация адвективнодиффузионного уравнения методом конечного объема.
Схемы аппроксимации адвективных членов уравнения переноса.
Схема .
3.3 Окончательный вид конечноразностной аппроксимации.
3.4 Устойчивость РАЗНОСТНОЙ схемы.
Устойчивость явнонеявной схемы
3.5 Решение сеточных уравнений
3.6 Конечноразностная аппроксима т прогностических уравнений модели
однородного АПС
3.7 Результаты тестирования.
3.8 Выводы.
Глава 4 Параллельная реализация численного метода решения
4.1 Различные способы параллельной реализации моделей АПС и переноса
примеси
4.2 Декомпозиция расчетной области.
4.3 Обеспечение коммуникационных обменов для многопроцессорных
вычислительных систем с распределнной памятью.
4.4 Параллельное решение сеточных уравнений переноса.
4.5 Оценка эффективности параллельной реализации вычислительного алгоритма
4.6 Выводы.
Глава 5 Результаты применения математической модели переноса
примеси в атмосферном пограничном слое
5.1 Исследование вертикалыюй структуры АПС при различных условиях
термических стратификации
Расчет пограничного слоя с нейтральной стратификацией
Расчет пограничного слоя с устойчивой стратификацией.
Расчет конвективного пограничного слоя.
5.2 Сравнение с данными Вангараэксперимента.
5.3 Применение модели АПС для расчета некоторых метеорологических
параметров.
5.4 Исследование переноса примеси от точечного источника постоянного
действия в атмосферном пограничном слое
Выводы по тестированию модели
5.5 Тестирование модели переноса примеси с учетом химических и
фотохимических реакций для условий города Томска.
5.6 Исследование влияния метеорологических параметров на качество
АТМОСФЕРНОГО воздуха над г. Томском
Исследование распределения озона над территорией города Томск
Пожар на полигоне токсичных отходов
Выявление наиболее загрязненных участков города Томска. Сопоставление с данными
мобильных измерений
5.7 Выводы
Заключение.
Список использованной литературы


Остальные загрязнителей связаны с хозяйственной деятельностью человека. Основным источником антропогенного загрязнения является сжигание ископаемого топлива на теплоэлектростанциях, промышленных предприятиях и в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств . А также производственные процессы, не связанные со сжиганием топлива, но приводящие к эмиссии примесей в атмосферу, например добыча минеральных ресурсов открытым способом, утечки через клапаны, стыки труб на нефтеперегонных, химических заводах, а также разнообразные смешанные источники . Для обеспечения контроля уровня выбросов необходимо располагать информацией о характере источника, т. Наиболее распространенный тип точечный источник, представляющий собой заводскую трубу, которая может выбрасывать очень концентрированные и вредные примеси или создавать специфические загрязнения ,3. Шоссе с интенсивным движением служит примером линейного источника. При этом предполагается, что суммирование автомобильных выбросов от отдельных машин образует непрерывное поступление примесей в атмосферу по всей длине пути. Крупный промышленный объект, содержащий множество мелких источников, является примером площадного источника. Здесь удобно объединить отдельные слабые выбросы и перейти к величинам, осредненным по площади . Вещества, загрязняющие атмосферу, разделяются на две категории первичные загрязнители, непосредственно выбрасываемые в атмосферу в результате природных или антропогенных процессов оксиды серы, азота, углерода и т. Это разделение носит несколько условный характер, поскольку некоторые вещества, например Ы, входят в обе категории. Высокие концентрации вторичных загрязнителей проявляются в форме видимой дымки или тумана, который принято называть смогом . Кроме ухудшения видимости, смог характеризуется раздражающим и разъедающим действием вследствие высокой токсичности и кислотности его составляющих. В зависимости от компонентного состава, различают два типа смога сульфатный лондонский и фотохимический лосанджелесский 2,,,. Сульфатный смог характерен для северных промышленных регионов с мощными источниками выбросов сернистого газа 2, который составляет существенную часть примеси, образующейся при сгорании угля и мазута. Н, в результате чего возникают капельки серной кислоты Н. Их взаимодействие с другими компонентами примеси приводит к появлению частиц сульфатов. Идеальные условия для развития такого процесса создаются в регионах, где сжигание топлива с высоким содержанием серы сопровождается образованием туманов или повышенной влажностью воздуха. Выпадение с осадками капелек серной кислоты и частиц сульфатов образует кислотный дождь, негативно влияющий прежде всего на растительность, а также отравляющий воду в водоемах, расположенных на подветренной стороне индустриальных центров 2,, . Основными компонентами фотохимического смога являются озон, пероксиацетилнитрат ПАН, углеводородные радикалы, формальдегиды и др. Наиболее часто это явление встречается в городах с мягким солнечным климатом и большим количеством автомобилей. ЛосАнджелес, Денвер, Сидней, Мехико и БуэносАйрес города, стоящие в первой пятерке лидеров по уровню фотохимического смога . Особую опасность представляют повышенные приземные концентрации тропосферного озона вещества первой категории опасности. Вдыхание его человеком вызывает кашель, боль в груди, учащенное дыхание и раздражение глаз, носовой полости и гортани, приводит к ухудшению состояния больных, страдающих заболеваниями легких и сердечнососудистой системы. При этом тропосферный озон является наиболее распространенным вторичным загрязнителем . Синтез озона у поверхности земли по реакциям фотодиссоциации молекулярного кислорода как в стратосфере требует наличия солнечного излучения с длиной волны 0,2 мкм. Однако солнечная радиация с длинной волны короче 0,мкм поглощается в стратосфере и не достигает тропопаузы . Следовательно, озон в нижней части атмосферы должен генерироваться с помощью другого механизма. Его образование обычно приписывают фотолитическому циклу диоксида азота рис.