Вычислительный эксперимент реализации численных расчетных моделей переноса и диффузии примеси в пограничном слое атмосферы
Автор: Айдосов А., Заурбеков Н.С., Заурбеков И.С., Заурбекова Г.Н.
Журнал: Вестник Алматинского технологического университета @vestnik-atu
Рубрика: Естественные науки
Статья в выпуске: 5 (95), 2012 года.
Бесплатный доступ
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 программа позволяет использовать ее для оперативных экспресс-расчетов полей распространения примесей.
Циркуляция атмосферы, математическое моделирование, загрязняющие примеси, вычислительный эксперимент, геоэкологическая карта
Короткий адрес: https://sciup.org/140204599
IDR: 140204599
Текст научной статьи 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.
Список литературы Вычислительный эксперимент реализации численных расчетных моделей переноса и диффузии примеси в пограничном слое атмосферы
- Айдосов А.А., Айдосова Г.А., Заурбеков Н.С. Модели экологической обстановки окружающей среды при реальных атмосферных процессах. -Алматы, 2010. -368 с.
- Айдосов А.А., Заурбеков Н.С. Теоретические основы прогнозирования природных процессов и экологической обстановки окружающей среды//Теоретические основы прогнозирования атмосферных процессов, экологической обстановки окружающей среды и построение геоэкологической карты на примере КНГКМ. -Кн.3.-А., 2000. -220 с.
- Заурбеков Н.С. Модели процессов приземного слоя атмосферы.//Вестник Министерства образования и науки РК, №6, Алматы, 2000. -С. 41-45.
- Айдосов А.А., Айдосова Г.А., Заурбеков Н.С. Концептуальные основы решения проблем экологии//Известия Национальной академии наук Кыргызской Республики, 2007, Бишкек, Илим. -С. 56-60.
- Заурбеков Н.С. Численное моделирование вредных веществ в нижнем слое атмосферы//Вестник Национальной инженерной академии Республики Казахстан. -№ 1(23). -2007. -С. 38-44.
- Заурбеков Н.С. Численный анализ и прогноз аномалий атмосферных процессов с использованием сопряженных функции.//Вестник КазНУ. Серия математика, механика, информатика. -№ 2 (69). -2011. -С.97-101.
- Заурбеков Н.С. Дискретизация системы уравнений динамики атмосферы и построение конечно-разностных аппроксимаций.//Вестник Казахского национального технического университета имени К.И.Сатпаева -№1 (64). -2008. -С. 20-26.
- Aidossov A.A., Aidossov G.A., Zaurbekov N.S. Mathematical modeling and numerical calculation by the method of large particles of the impact of active layer of soil to the contamination in the region taking into account processes in the lower atmosphere -Abstracts of the IV Congress of The Turkic World Mathematical Society 1-3 juli 2011. -Baku, Azerbaijan, 2011. -Р. 422.
- Айдосов А.А., Данаев Н.Т., Айдосова Г.А., Заурбеков Н.С. Математическая модель распространения монодисперсионной пассивной примеси в атмосфере.//Вычислительные технологии (Новосибирск). -Том 13. -Вестник КазНУ им. аль-Фараби. Серия математика, механика, информатика). № 3 (58) (совм. вып.). Часть 1. -Алматы-Новосибирск, 2008.-С. 104-110.
- Айдосов А.А., Данаев Н.Т., Айдосова Г.А., Заурбеков Н.С. Математическое моделирование распространения промышленных выбросов в нижнем слое атмосферы.//Вычислительные технологии (Новосибирск). -Том 13. -Вестник КазНУ им. аль-Фараби, серия математика, механика, информатика). № 3 (58) (совм. вып.). Часть 1. -Алматы-Новосибирск, 2008.-С. 111-119.