Математическое моделирование переноса примеси в мезометеорологическом пограничном слое атмосферы

• Автор: Бузало, Наталья Сергеевна
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Новочеркасск
• Количество страниц: 174 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ.

1.1 Модели и методы расчета распределения концентрации примеси в

воздушной среде.

1.1.1 Статистические методы исследования атмосферы

1.1.2 Модели на основе аналитического решения упрощенных уравнений турбулентной диффузии

1.1.3 Модели численного прогноза распространения примеси в атмосфере

1.2 Моделирование полей скорости ветра в приземном пограничном слое

атмосферы.

1.3 Практические методики.

1.3.1 ОН Д.
1.3.3 ЕРА
1.3.3 ЭПК
1.4 Выводы
2 ТРЕХМЕРНАЯ НЕСТАЦИОНАРНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
2.1 Система уравнений.
2.1.1 Уравнения движения воздуха
2.1.2 Уравнение неразрывности.
2.1.3 Уравнение энергии в атмосфере.
2.1.4 Уравнение энергии в почве.
2.1.5 Уравнение распространения примеси конвекциидиффузии
2.1.6 Уравнение влагосодержания.
2.2 Краевые условия и их особенности в задачах переноса примеси
2.3 Выводы
3 РАЗНОСТНЫЙ АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ПОЛЕЙ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУХА, ТЕМПЕРАТУРЫ, ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ, КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСИ И ЕГО КОМПЬЮТЕРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
3.1 Расчет поля скорости движения воздуха
3.1.1 Аппроксимация по пространству
3.1.2 Аппроксимация по времени.
3.1.3 Численный алгоритм.
3.1.4 Вычислительный эксперимент.
3.2 Численный метод решения уравнения конвекции диффузии.
3.2.1 Конечноразностная аппроксимация уравнения конвекциидиффузии
3.2.2 Исследование свойств разностной схемы уравнения конвекции диффузии
3.3 Общий алгоритм.
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ АТМОСФЕРНЫХ ЯВЛЕНИЙ И РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПРИМЕСИ.
4.1 Распространение газообразной примеси при однородной температуре
подстилающей поверхности, отличной от температуры воздуха
4.2 Распространения газообразной примеси при наличии неоднородности
температуры подстилающей поверхности, отличной от температуры воздуха
4.3 Влияние суточных колебаний радиационного баланса поверхности земли
на распространение примеси в пограничном слое атмосферы в зависимости от времени года.
4.4 Формирование острова тепла над местностью с высокой
концентрацией антропогенных примесей
4.5 Влияние рельефа на распространение примеси
4.6 Выводы
5 ПРОГНОЗ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГОРОДА НОВОЧЕРКАССКА И РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ С ПОМОЩЬЮ
ПАКЕТА ПРОГРАММ У1ТЕСОИ.
5.1 Исследование распространения диоксида азота и бензапирена в районе
города Новочеркасска.
5.2 Исследование распространения диоксида азота и диоксида серы по
территории Ростовской области
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


В настоящее время при численном прогнозе распространения примеси в пограничном слое атмосферы, как правило, выбирается либо лагранжева дисперсионная стохастическая модель [ - ], либо эйлерова модель атмосферной диффузии [2, , ]. В зависимости от характера источников выбросов (мгновенный или непрерывный) осуществляется разовая или постоянная подача трассеров в атмосферу, где под воздействием ветра и турбулентности происходит их рассеяние. Второй подход опирается на уравнение «конвекции-диффузии» которое интегрируется на конечно-разностной эйлеровой сетке. Лагранжев и эйлеров методы описания турбулентности используются при решении различных задач, как правило, независимо, взаимно дополняя друг друга [-]. Эйлерово представление турбулентности связано с заданием поля случайных величин в пространстве и во времени посредством уравнения или системы уравнений, например уравнений гидродинамики [, ]. Последовательно усредняя эти уравнения получают систему уравнений описывающую какие либо процессы в турбулизованной среде. В этом случае аргументом является совокупность координат точек пространства, а компоненты вектора скорости движения среды и значения концентрации примеси в данной точке пространства являются функциями этих координат и времени. Скорости частиц представляют собой производные от координат и времени. Примесь, поступившая от точечного источника, обычно представляется в виде ансамбля дискретных клубов или частиц. Для каждого клуба рассчитывается траектория его движения в меняющемся во времени и пространстве поле ветра и рассчитывается диффузионный перенос. Это делается например, с помощью стохастических моделей причем часто турбулентная структура считается гауссовой. Изучение переноса и рассеяния большого числа (несколько тысяч) частиц трассеров позволяет моделировать дрейф и дисперсию примеси в турбулизованном атмосферном пограничном слое. Концентрацию примеси в любой точке пространства представляют как сумму вкладов от каждого лагранжева элемента [,]. По результатам исследований Степанова A. C. эйлерово представление является более продуктивным и при решении различных специальных задач (например, при описании движения инерциальных частиц в воздухе), а подход Лагранжа следует использовать для расчета коэффициентов турбулентного обмена []. В работе Старченко A. B. [] проведен сравнительный анализ рассматриваемых способов моделирования распространения примеси от точечного источника в турбулентном пограничном слое над однородной шероховатой поверхностью. Автор делает выводы, что к достоинствам лагранжевой дисперсионной стохастической модели относится детальное представление начального периода распространения выброса (включая учет подъема нагретой примеси за счет плавучести). Кроме того, данная модель удобна при оценке переноса и осаждения газодисперсных примесей, содержащих взвешенные частицы с широким спектром размеров. К недостаткам этого подхода следует отнести вычислительные затраты при прогнозе распространения примеси на большие расстояния, а также проблемы, возникающие при моделировании химических трансформаций примеси. Эйлерова модель атмосферной диффузии, наоборот, сравнительно просто решает задачи, связанные с предсказанием мезомасштабного переноса выбросов и сопровождающих их химических превращений, требует меньшего объема эмпирической информации для замыкания моделей турбулентной диффузии. Однако, во-первых, в силу использования относительно грубой сетки (линейный размер по горизонтали - несколько километров или более) возникают трудности адекватного представления концентрационных градиентов от точечных и линейных источников. Во вторых, при моделировании турбулентного рассеяния выбросов, масштаб которых меньше характерного масштаба турбулентности, нельзя применять замыкающее соотношение Буссинеска для турбулентных потоков массы [,]. Для учета недостатков рассматриваемых подходов были предложены гибридные модели распространения примеси в атмосфере [, , , ], в которых на начальном этапе распространения выброса используется лагранжев дисперсионный стохастический подход, а при прогнозе последующего переноса и трансформации загрязнения на большие расстояния применяется эйлерова модель атмосферной диффузии.