Численное моделирование распространения примесей от источников загрязнения с учетом рельефа местности

• Автор: Микрюков, Алексей Викторович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 181 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРИМЕСИ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ.

1.1. Состояние проблемы

1.2. Объект исследования.

1.3. Уравнения гидромеханики.

1.4. Уравнение переноса примеси

1.5. Моделирование турбулентности

Выводы.
ГЛАВА 2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙ ОКОЛО КРИВОЛИНЕЙНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ.

2.1. Состояние вопроса.

2.2. Численный метод.

2.3. Конечноразностные уравнения
2.4. Конечноразностная сетка
2.4.1. Алгоритм построения криволинейной конечноразностной сетки
2.4.2. Декомпозиция расчетных областей в зависимости от условий моделирования
2.5. Анализ сходимости численного решения
2.6. Влияние кривизны поверхности на трансформацию потока
2.6.1. Критерии оценки трансформации воздушного потока.
2.6.2. Обтекание положительных форм рельефа
2.6.3. Обтекание отрицательных форм рельефа
Выводы.
ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ
3.1. Влияние рельефа местности и шероховатости поверхности
на трансформацию потока
3.1.1. Классификация шероховатостей, соответствующих различным вариантам
застройки промышленной зоны.
3.1.2. Трансформация воздушного потока в зависимости от шероховатости территории.
3.2. Физические параметры, характеризующие выброс вредного вещества
из источника.
3.3. Моделирование распространения примесей от точечных источников.
3.3.1. Граничные условия.
3.3.2. Моделирование начального подъема примеси.
3.3.3. Варианты расчетов
3.4. Моделирование распространения примесей от линейных источников.
3.4.1. Граничные условия
3.4.2. Варианты расчетов
3.5. Моделирование распространения примесей от площадных источников
3.5.1. Граничные условия
3.5.2. Варианты расчетов
3.6. Моделирование распространения примесей от совокупности источников загрязнения.
ГЛАВА 4. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС МОДЕЛИРОВАНИЯ
РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ.
4.1. Обзор существующего программного обеспечения.
4.2. Требования к программному комплексу
4.3. Архитектура программного комплекса.
4.4. Описание подсистем программного комплекса.
4.5. Оценка влияния источников загрязнения на экологическую ситуацию региона
Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ
ГИС географическая информационная система
ПДВ предельно допустимый выброс
ПДК предельно допустимая концентрация
СЗЗ санитарнозащитная зона
ЦММ цифровая модель местности
С, концентрация го загрязняющего вещества
Сь, концентрация примеси в устье источника
Сх коэффициент полного сопротивления
Ие эффективная высота подъема примеси, м
ускорение свободного падения
якобиан преобразования координат
к кинетическая энергия турбулентности
кхУку,к2 горизонтальные и вертикальная составляющие коэффициента турбулентного обмена М мощность выброса, гс
М число Маха
Р давление
рт давление набегающего потока
р вероятность
Ре число Пекле
Рг число Прандтля
Я универсальная газовая постоянная
Яе число Рейнольдса
8с число Шмидта
время
Т температура
Тс постоянная Сатгерлэнда
Т3 температура подстилающей поверхности
Тл температура набегающего потока
и,у,и физические ковариантные составляющие вектора скоро
и,У,У контрвариантные составляющие вектора скорости
и пульсационная составляющая вектора скорости
м, среднее значение скорости
у5 скорость выхода газовоздушной смеси
У1 расход газовоздушной смеси
скорость осаждения
декартовы координаты
у0 высота на уровне шероховатости
Р коэффициент, характеризующий взаимодействие примеси
см видом подстилающей поверхности X постоянная Кармана
Ър поправка давления
Да угол трансформации
АН высота подъема примеси
е скорость диссипации турбулентности
ф матрица метрических коэффициентов
р эффективная вязкость
рт молекулярная вязкость
р, турбулентная вязкость
р плотность
т, коэффициент трансформации потока
т, у тензор напряжений
,т,С криволинейные координаты
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность


Приведена классификация шероховатости поверхности, представляющей собой городскую территорию. Проанализированы физические параметры, характеризующие выброс примеси различными источниками. Проведен анализ результатов моделирования распространения примесей от различных типов источников загрязнения точечных, линейных, площадных и проверка адекватности модели на основании известных экспериментальных данных. Проанализировано влияние свойств подстилающей поверхности на процесс распространения примеси. Представлена методика расчета распространения примеси от источников загрязнения за длительные периоды времени. Четвертая глава посвящена программному комплексу моделирования распространения примесей в приземном слое атмосферы. Приведен обзор существующего программного обеспечения в области экологического мониторинга. Предложена структура программного комплекса, отвечающая требованиям, предъявляемым к современному программному обеспечению. Проведена оценка влияния источников загрязнения на окружающую территорию на примере г. Ижевска. В Заключении работы приведены общая характеристика работы и основные выводы по результатам диссертации. Автор искренне признателен и благодарен научному руководителю к. М.М. Горохову за постоянную помощь и поддержку в работе, декану факультета Прикладная математика ИжГТУ, д. И.Г. Русяку за полезные замечания и предложения. ГЛАВА 1. Процесс моделирования распространения примеси в атмосфере неразрывно связан с определением параметров атмосферы. Существует большое число теорий атмосферной диффузии, но все они в качестве входных параметров имеют поля таких элементов, как составляющие скорости и атмосферной турбулентности. Ктеории диффузии, модели теории подобия и численные модели. Статистические модели диффузии начали развиваться достаточно давно, но до сих пор им находят применение при решении практических задач. Лр1хЛЛ, 1. Это уравнение справедливо в случае распространения примеси в однородной и стационарной атмосфере от непрерывно действующего точечного источника. Для решения уравнения необходимо знать параметры турбулентности о и р. Р.Рр. Обоснованность этой теории была проверена на экспериментах. Модели, использующие метод МонтеКарло, основываются на представлении поля скоростей в виде суммы средней и турбулентной составляющих. Уравнение для составляющей скорости в направлении имеет вид
где и1 осредненная составляющая скорости и пульсационная составляющая скорости. При определении скорости ветра, используя наблюдения с измерительных станций, необходимо производить корректировку полученного поля среднего ветра с учетом условия сохранения массы примеси, т. В случае проведения расчетов с помощью динамической модели предполагается, что полученное поле среднего ветра автоматически обеспечивает это условие. При наблюдении за атмосферной диффузией, в случае, если время наблюдения превышает время осреднения, весь процесс распространения примеси происходит за счет изменения во времени и пространстве среднего ветра. А и р Лр,, 1. А шаг по времени р лагранжев коэффициент автокорреляции для й компоненты скорости. Случайная составляющая должна иметь гауссово распределение вероятностей с нулевым средним значением и стандартным отклонением. А ехр Д Т , 1. Т лагранжев масштаб времени. Таким образом, модель позволяет учитывать неоднородность поля турбулентности. Но в моделях диффузии, основанных на методе МонтеКарло, в котором отслеживаются траектории большого числа частиц, необходимо следить за тем, чтобы распределение пульсаций скорости было асимметричным. Если это условие не будет выполняться, то при моделировании жидкость будет накапливаться в областях с низкой энергией турбулентности. Модель МонтеКарло нашла свое применение в задаче Рида о вертикальной диффузии примеси от источника с малой высотой. Также модель успешно применялась в работах для случаев неоднородного и стационарного поля среднего ветра. Еще одна статистическая модель горизонтальной диффузии, разработанная Гиффордом , основана на применении уравнения Ланжевена. I малая случайная сила, описывающая действие давления.