Вычислительный эксперимент реализации численных расчетных моделей переноса и диффузии примеси в пограничном слое атмосферы

На основе математической модели атмосферной циркуляции и распространения вредных примесей в приземном слое атмосферы проведен вычислительный эксперимент и построена геоэкологическая карта распространения вредных примесей в атмосфере. Разработанная компьютерная прог-

рамма позволяет использовать ее для оперативных экспресс-расчетов полей распространения примесей.

Для исследования локальных атмосферных процессов, происходящих в пограничном слое, используем математическую модель, основанную на системе уравнений гидротермодинамики. В качестве исходных уравнений

Таблица 1 – Исходные данные и обозначения расчетов струйного течения

Состав газа на срезе скважины	Т с – температура газа на срезе скважины
Воздух	293,00 К
Воздух	700,00 К
воздух	1000,00 К

Рисунок 1 - Алгоритм в виде блок-схемы для реализации численной схемы блочной математической модели атмосферной циркуляции и распространения вредных примесей в приземном слое атмосферы и описание взаимодействий между блоками на ЭВМ.

Рисунок 2 – Изолинии концентрации СО 2 в долях ПДК на высоте 10 м. Мах СО 2 – 2,89

Рисунок 3 – Изолинии концентрации СО 2 в долях ПДК на высоте 70 м. Мах СО 2 – 0,03

Рисунок 4 – Изолинии концентрации NO 2 в долях ПДК на высоте 10 м. Мах NО 2 – 1,75

Рисунок 5 – Изолинии концентрации NO 2 в долях ПДК на высоте 70 м. Мах NО 2 – 6,85

Рисунок 6 – Изолинии концентрации СО 2 в долях ПДК на высоте 10 м. Мах СО 2 – 3,69

Рисунок 7 – Изолинии концентрации СО 2 в долях ПДК на высоте 70 м. Мах СО 2 – 3,17

взяты следующие: движения, неразрывности, состояния, притока тепла, удельной влажности и другие. В этих уравнениях участвуют искомые функции: вектор скорости, температура, потенциальная температура, давление, плотность, удельная влажность, тензор вязких напряжений потока, тепла и влаги, являющиеся функциями координаты и время, полученные в [1,2] для реальных атмосферных процессов.

В работах [1-10] изложены разработанные нами математические модели переноса и

диффузии вредных примесей в пограничном слое атмосферы, а также численные схемы их реализации.

Объекты и методы исследования

Вычислительный эксперимент реализации численных расчетных моделей переноса и диффузии примеси в пограничном слое атмосферы. При расчете выбросов вредных веществ в атмосферу для каждого вещества, выбрасываемого от источника, проверяется условие:

q сумм

nP

• = ±У( q  - q ) = ^{C Сф}

пр . j      ф . j

K cd j = 1                K cd j = 1    ПДК

где: C np.j - приземная концентрация

• j - вещества;

C ф.j - фоновая концентрация

• j - вещества;

K - коэффициент комбинации сов-cd местного гигиенического действия группы веществ.

При одновременном присутствии в атмосфере нескольких вредных веществ, когда гигиеническое воздействие вредных веществ зависит от совместного присутствия группы веществ, обладающих эффектом «суммирующего воздействия», введены дополнительные требования Минздрава:

q сумм j

= q np j ^- Ч ф-j

= Cnp, j + Сф j < 1

ПДКj

При выполнении условий (1) и (2) прекращается расчет

Алгоритм в виде блок-схемы для реализации численной схемы блочной математической модели атмосферной циркуляции и распространения вредных примесей в приземном слое атмосферы и описание взаимодействий между блоками на ЭВМ приведен на рис 1

Результаты и обсуждение

Геоэкологические карты переноса вредных примесей в инверсионных условиях Распространение примесей в устойчивых атмосферных условиях проводилось для двух вариантов: в первом случае скорость ветра в приземном слое выбрана равная 2 м/с (рис 26), а во втором – 4 м/с (рис 7-9) Исходные данные для расчета приведены в таблице 1

Выбор и обоснование исходных данных приведен в [4]

Время расчета соответствовало периоду полного продувания района месторождения, имеющего протяженность порядка 40 км

Увеличение скорости ветра приводит к стимулированию более интенсивного выноса загрязнений за пределы этого района Эффективная высота выбросов максимальна для агрегатов УКСП-16 (70-100 м), а для других источников загрязнения находится вблизи верхней границы приземного слоя (10-20 м) Поскольку наиболее мощные источники имеют достаточно большую эффективную высоту, то из-за инверсионных условий максимальное выпадение примесей в приземном слое наблюдается на значительном удалении от источников (рис 9)

Рисунок 8 – Изолинии концентрации NO 2 в долях ПДК на высоте 10 м. Мах NО 2 – 2,82

Рисунок 9 – Изолинии концентрации NO 2 в долях ПДК на высоте 70 м. Мах NО 2 – 921,63

Распространение примесей происходит по направлению ветра, причем, также как и в конвективных условиях заметно изменение этого направления с высотой (поворот влево согласно модели Экмана). Отметим также более интенсивное загрязнение примесью NO2 на высоте, близкой к эффективной высоте выбросов. Превышение ПДК, например, на рисунке 9, имеет порядок несколько сотен. Это объясняется тем, что в инверсионных условиях отсутствуют восходящие потоки воздуха и слабо выражена вертикальная турбулентность, это приводит к локализации выбросов вблизи источников загрязнения.

Наблюдается также отмеченный при анализе расчетов по простейшей модели в устойчивых условиях [5], и на первый взгляд, странный эффект, когда усиление ветра приводит к более интенсивному загрязнению вблизи земли и на фиксированной высоте порядка 70 м.

Это связано с аналогичным фактом – увеличение скорости ветра при неизменных метеопараметрах заметно уменьшает эффективную высоту выбросов. А это приводит, в свою очередь, к приближению высоты оси дымового факела к поверхности земли. Таким образом, можно сделать вывод, что наряду с известными опасными метеоусловиями, которые создаются при инверсиях и их сочетаниях со штилем, отмеченная метеоситуация также относится к числу наиболее опасных.

Заключение

Итак, нами:

• 1.    Проведены численные расчеты переноса вредных веществ в приземном слое атмосферы с учетом влияния подстилающей поверхности.

• 2.    Получены геоэкологические карты переноса вредных примесей в инверсионных условиях.

Также на основании разработанных математических моделей, численных схем и комплекса программ моделированы распространения вредных примесей на основе диффузионных моделей, проведены расчеты, а также анализ результатов вычисления [3]. Разработанная программа на основе диффузионных моделей позволяет использовать ее для оперативных экспресс-расчетов полей распространения примесей для некоторой группы источников и оценки их влияния на близлежащие населенные пункты непосредственно при проведении измерений на борту исследовательской машины в реальном масштабе времени. Небольшой объем входной информации и знание параметров источников (изменяется лишь объем выбросов) позволит быстро проводить численные эксперименты с просмотром результатов. В качестве примера проведен расчет распространения примесей с применением гидродинамической модели рассеивания примесей в пограничном слое атмосферы для наиболее аномальных метеоситуаций в 4-х вариантах.