Математическое моделирование распространения загрязняющих веществ от автотранспорта в условиях городской застройки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.16, кандидат физико-математических наук Виеру, Николай Николаевич

• Виеру, Николай Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 1994

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Виеру, Николай Николаевич

Аналитические модели.

Глава 2.

2.1 2.

Эмпирические модели

Аэродинамические модели уличного каньона.

Моделирование турбулентности. шнарная модель течения

Уравнения Навье-Стокса.

У чет архимедовых сил.

Метод решения.

Результаты расчетов.

Г лава 3, Модель с учетом турбулентности

3.1. Модельная фор ма К-уравнения.

3.2. Уравнения аэродинамики и переноса.

3.3. Конечно-разностная форма уравнений

3.4. Результаты расчетов.

Г л а в а 4. Влияние городской застройки на структуру течений ш распространение загрязняющих веществ

4.1. Моделирование течения в застройке.

4.2. Результаты расчето в.

Г л а в а 5, Влияние составляющей скорости ветра, направленной вдоль уличного к&ньойа

5.1. Моделирование переноса ЗВ вдоль улицы.

5.2. Результаты расчетов,.,.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование распространения загрязняющих веществ от автотранспорта в условиях городской застройки»

Проблема взаимодействия человека с окружающей средой в настоящее время представляет новую и активно развивающуюся область применений методов математического моделирования. По мере развития промышленности, энергетики средств транспорта антропогенное загрязнение биосферы, обусловленное жизнедеятельностью человека, непрерывно возрастает. Если в первой половине XX века негативное воздействие загрязнений на биосферу во многих странах мира сглаживалось происходящими в ней естественными процессами, то в последующие годы масштабы деятельности человека привели биосферу на грань экологического кризиса. В России основное загрязнение атмосферы создает ряд отраслей промышленности, автотранспорт и теплоэнергетика. Их участие распределяется следующим образом:

• 30% - черная и цветная металлургия, нефтедобыча и нефтехимия, предприятия стройматериалов, химическая промышленность;

• 40% - автотранспорт;

• 30% - теплоэнергетика.

В США загрязнение атмосферы вредными веществами составляет:

• 50% - транспортные средства;

• 20%- теплоэлектростанции;

• 15% - промышленные предприятия;

• 5% - установки сжигания твердых отходов;

• 10%-прочие.

Как видно, до пятидесяти процентов выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) приходится на долю автотранспорта. В связи с этим значительно возрастает роль научных исследований, направленных на разработку математического и программного обеспечения анализа загрязненности атмосферы промышленных городов, позволяющего существенно уменьшить величину суммарных экономических потерь от загрязнения воздуха, которые, определяются в основном ущербом от локализации вредных веществ в жизнедеятельном приземном слое атмосферы [12].

Одна из важных проблем аэродинамики окружающей среды состоит в том, чтобы описать распространение различных загрязнителей антропогенного происхождения. Это можно сделать с помощью натурных измерений, создания физических и математических моделей. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки. С помощью математических моделей можно предсказывать результаты проведения различных природоохранных мероприятий, а также оптимизировать использование средств выделяемых на охрану окружающей среды, Задачей вычислительных методов аэродинамики окружающей среды является в этом случае расчет полей концентраций ЗВ.

Цель работы.

Создание математической модели и комплекса программ, позволяющих получать с помошью персональных ЭВМ устойчивые и достаточно точные численные решения, для описания поля течения в приземном слое атмосферы над улицей и внутри нее и распределения концентраций ЗВ, выбрасываемых автотранспортом. Научная новизна.

В данной работе предложены четыре взаимосвязанные модели, описывающие динамику распространения ЗВ от автотранспорта и их качественная оценка. Произведены сравнительные вычислительные эксперименты для каждой модели, определены границы их применения. Показана важность влияния застройки на максимальные концентрации ЗВ и структуру течения в уличном каньоне. Практическая ценность.

Модели могут быть применены в градостроительстве при определении оптимальной планировки основных транспортных магистралей, а также для определения допустимых транспортных потоков на улицах крупных индустриальных городов. Апробация работы.

Основные результаты докладывались на XIV, XV школах семинарах, посвященных математическому моделированию в проблемах рационального природопользования, международной научной конференции - "Сопряжецные задачи физической механики и экология",

-6.

I международной конференции посвященной экологическим проблемам горных территорий. Структура и объем работы.

Диссертация включает введение, пять глав, заключение и выводы, список литературы из 53 источников, приложения 1 и 2. Содержание диссертационной работы изложено на 125 машинописных страницах.

Заключение диссертации по теме «Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)», Виеру, Николай Николаевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведен краткий обзор литературы по математическому моделированию загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта в условиях города. Показано, что большая часть моделей достаточно груба в связи с тем, что в них используется много эмпирических параметров. Встречаются также сложные модели, основанные на решении трехмерных уравнений гидротермодинамики атмосферы, Эти модели требуют наличия мощных ЭВМ и время проведения расчетов с их помощью достаточно велико. Поэтому их использование в случае массовых расчетов и оперативного прогноза состояния атмосферы при изменении интенсивности потоков автотранспорта нецелесообразно. Модели промежуточного уровня сложности практически отсутствуют.

В связи с этим в диссертационной работе была сделана попытка создания модели, которая позволяла бы учесть основные факторы, влияющие на распространение ЗВ выбрасываемых автотранспортом и реалнзовываяась на персональной ЭВМ. Первоначально в модели использовались двумерные уравнения гидротермодинамики в переменных у-ы с квазиламинарным приближением и предположением непроницаемости застройки [27}. Поля концентраций ЗВ определялись путем решения двумерного уравнения диффузии. Были получены различные режимы обтекания уличного каньона и определены границы перехода к свободноконвективному режиму течения, для расчета

- 69 которого нужно изменение граничных условий. В качестве параметра в этих расчетах использовалось число Рейнольдса, которое было оценено по экспериментальным результатам, имеющимся в литературе. Во всей серии расчетов число Рейнольдса предполагалось постоянным. В дальнейшем было показано, что оно существенно меняется при изменении режима течения.

Чтобы избежать неопределенности в выборе числа Рейнольдса была использована простейшая модель турбулентности, основанная на балансе между порождением энергии турбулентности ш ее диссипацией, в каждой точке потока. В расчетах былы получены все наблюдающиеся в экспериментах режимы течения в уличном каньоне. Определена зависимость максимальной концентрации ЗВ в уличном каньоне от отношения высоты застройки к ширине улицы, причем при достижении режима изолированных зданий, дальнейшее уменьшение концентрации при увеличении ширины улиц незначительно. Получены распределения концентраций ЗВ по ширине улицы и по высоте зданий. В расчетах показано, что падение концентрации по высоте происходит достаточно быстро. Наибольшие концентрации ЗВ наблюдаются на краях уличного каньона.

Поскольку реальная застройка, особенно в новых микрорайонах не сплошная, была сделана попытка рассматривать застройку как пористую среду, характеризующуюся одним параметром - удельной плотностью. Течение в застройке определялось в этом случае в одномерном приближении. Получено,что с уменьшением удельной плотности от бесконечно большой до достаточно малой, сначала происходит рост ЗВ в уличном каньоне, а лишь затем ее уменьшение. По видимому, это объясняется тем, что сначала уменьшается интенсивность вихрей, возникающих в уличном каньоне, поскольку заметное количество низкоскоростного воздуха проникает через верхнюю часть застройки, а затем вихри постепенно начинают исчезать. Этот эффект существенен для режима сплошной шероховатости. По результатам расчетов проникновение ЗВ в застройку невелико.

Было также исследовано влияние неперпендикулярности ветра к улице и неравномерность выброса ЗВ автотранспортом вдоль улицы. Получено, что изменение направления ветра слабо влияет на максимальную концентрацию ЗВ. Вдоль улицы может наблюдаться как ее рост так и уменьшение в зависимости от интенсивности потока автотранспорта. Причем на участках разгона машин как правило наблюдается увеличение концетрации. Падение концентрации более заметно в центральной части улиц.

Основными результатами работы являются следующие: I, Выявлены особенности разработанных к настоящему времени моделей загрязнения атмосферы автотранспортом. Показано, что большинство из них либо достаточно грубы, либо связаны с трудоемким решением системы трехмерных уравнений.

2. Построены квазиламинарная модель течения и модель с учетом турбулентности. Путем вычислительных экспериментов получены режимы течения в уличном каньоне и изменение концентрации ЗВ в зависимости от отношения высоты застройки к ширине улицы. Показано, что число Рейнольдса в квазиламинарной модели должно существенно меняться в зависимости от режима течения.

3. Оценено влияние застройки, как пористой среды, на структуру течения и распределение концентрации ЗВ в уличном каньоне. Показано, что наибольшая концентрация ЗВ получается не при максимально плотной застройке.

4. Исследовано влияние неравномерного выброса ЗВ автотранспортом при его движении вдоль улицы и неперпендикулярности ветра к улице.

5. Определены границы применимости моделей. Показано, что они качественно верно описывают процесс распространения ЗВ в условиях городской застройки. - 72

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Виеру, Николай Николаевич, 1994 год

1. Баяацкий О.Ф. Методические вопросы прогнозирования ущерба от загрязнения атмосферы //Экономическая оценка и рациональное использование природных ресурсов, Мл Мир, 1975, с. 62-73.

2. Безуглая ЭЛО,, Клинго В .В Статистический метод оценки влияния метеорологических условий на содержание примесей в атмосфере. -Тр. /Гл. геофиз. абсерваторйя, 1974, вып.314, с.81-96.

3. Белов П.Н, Численные методы прогноза погоды.-Л.: Гидрометеоиздат, 1975, 392с.

4. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы.-Л.: Гидрометеоиздат, 1975» 448с.

5. Берлянд М.Е., Генихович Е.Л., Оникул Р.И. К нормированию выбросов от наземных источников.-Тр./ Гл. геофиз. абсерваторйя, 1977, вып.387, с.3-12,

6. Берлянд М.Е., Генихович Е.Л., Оникул Р.И, Моделирование загрязнения атмосферы выбросами из низких и холодных источников.-Метеорология и гидрология, №5,1990, с.5-17.

7. Булеев Н.И. Пространственная модель турбулентного обмена.-М.:Наука, 1989, 343с.

8. Вызова Н.Л., Иванов В.Н., Гаргер Е.К. Турбулентность в пограничном слое атмосферы,-Л.: Гидрометеоиздат, 1989,268е.

9. П. Генихович EJI., Гущин В.А., Сонькин Л.Р. О возможности прогноза загрязнения городского воздуха методом распознавания образов.-Тр./Гл. геофиз. обсерватория, 1973, вып.293, с.21 -25.

10. А.Б. Горстко, Ю.А. Домбровский, Ф.А. Сурков Модели управления эколого-экономическими системами»-M.: Наука, 1984, И9с,13» Детри Ж. Атмосфера должна быть чистой.-М.: Прогресс, 1973,397с.

11. Й. Джалурия Естественная конвекция.-М.: Мир Л 983, 399с.

12. Дмитриев М.Г. Атмосфера городов. М.: Знание, 1983, 66 с.

13. Ю.А. Домбровский, A.B. Казьмин, Э.И. Леонов, В .Л. Мечик Расчет рассеяния в атмосфере вредных веществ содержащихся в выбросах промпредприятий и разработка нормативов ПДВ.-РГУ, Ростов-на-Дону, 1987

14. А,С.Дубов, Л .П .Быкова, С.В.Марунич "Турбулентность в растительном покрове", Ленинград, Гидрометеоиздат, 1978 г., 180с.

15. Марчук Г.И. К проблеме охраны окружающей среды.-В кн.: Вычислительные методы в матиматической физике, геофизике и оптимальном управлении.-Новосибирск: Наука, 1978, с.20-28

16. Ныостанд Ф.Т. М., Ван-Доя X. Атмосферная турбулентность н моделирование распространения примесей/Пер. с англ. -Л.: Гидрометеоиздат, 1985, 212 с.

17. Пановский Т.А. Планетарный пограничный сяой.-Ж. Динамика погоды, Л,: Гидрометеоиздат, 1988

18. Паржина P.A., Сонькин Л .Р. Возможности прогнозирования загрязнения воздуха в городе методом линейного регрессионного анализа.-Тр. /Гл. геофиз. обсерватория, 1977, вып.387, с.47-51.

19. Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды.-Новосибирк, Наука, 1985, 253с.

20. Петренко В.К., Аршинова В.И. О зависимости загрязнения атмосферного воздуха в г. Москва от метеорологических условий.-В кн.: Проблемы контроля и обеспечения чистоты атмосферы*-Л,: Гидрометеоиздат, 1975, с.69-75.

21. Пономаренко И.Я. К прогнозу стратификации температуры в пограничном слое атмосферы при расчетах количества осадков .-Тр./ УкрНИГМЙ, 1973, выпД26, с.41-49- 75

22. Р.Пива, П.Орланди Численное решение для течений в атмосферном пограничном слое над уличными каньонами.-Сб. статей Численное решение задач гидромеханики, М., Мир, 1977, с.127-134

23. Пэнтл Р. Методы системного анализа окружающей среды .-М.: Мир, 1979, 2! 4с.

24. П. Роуч. Вычислительная гидродинамика,-М.: Мир,1980г, 616с.

25. Сеттон О.Г. Микрометеорология.-Л: Гидрометеоиздат, 1968, 355с.

26. Сидоренко Ф.В., Фельдман Ю.Г. о расчете концентрации скиси углерода в воздухе автомагистралей и прилегающей жилой застройки/Яигиена и санитария. 1974. № 1. С. 6-8

27. Скорченко В.Ф. Массовый выброс окиси углерода автомобилями и ее концентрация в природной среде.-Материалы второго всесоюзного рабочего совещания Экологическое значение автомобильных дорог, Пушкино, 1989

28. Соловьев А.К. Социально экономическая эффективность мероприятий по защите окружающей среды при застройке городов.-М., Стройиздат, 1987,128с.

29. Сонькин Л.Р. Вопросы прогнозирования фонового загрязнения воздуха в городах.-Тр./ Гл. геофиз. обсерватория, 1974, вьш.314, с.42-51.

30. Хесек Ф. Рассеяние выбросов автотранспорта в условиях городской застройки/Тез. докл. международ, конф. ВМО по моделированию76*загрязнения атмосферы и его применениям. Ленинград, 19-24 мая 1986г.~М., 1986,151с.

31. П.Чжен Отрывные течения.-М.: Мир, 1973

32. Шлихтинг Г, Теория пограничного слоя, М.: Наука, 1974г.

33. Щербань А.Н., Копейник В.И., Грошков А.Н. Моделирование состояния загрязнения городского воздуха как задача прогноза,-В кн.: Проблема контроля и защиты атмосферы от загрязнения.-Киев: Наукова Думка, 1980, вып. 6, с,3-9.

34. LJ.Hunter, I.D.Watson and G .T. Johnson Modelling air flow regimes in urban canyons. Energy and Buildings, 15-16,1990/91, 315-324.- 77

35. Judwing F.L. A model for simulating the behaviour of pollutants emitted at ground level under time-varying meteorological conditions.-Atmos, Environ., 1981, vJ5 N 6, p. 989-999

36. Lamb N.K., Shair F.N, Atmospheric dispersion and transport within coastal regions. Part II. Tracer story of industrial emissions in the California Delta Region.-Atmos. Environ., 1978, v.12, N 11, p. 2101-2118

37. F.C. Lin, Shin'ichi Okamoto and Kiyoshige Shiozawa A Review on the dispersion Models for the automobile emission,-J. Japan Soc. Air PoHut., №26(5), 1991, pp. 292-319.

38. McGuirk J.J. and Rodi W. Calculation of unsteady mass exchange between a main stream and a dead water zone, paper at 18th IAHR congress, Cagliari, Italy, 1979)

39. Shuzo Murakami, Akashi Mochida and Yoshihiko Hayashi Numerical Simulation of velositv field and Diffusion field in an urban area.-Energy and buildings, 15-16,1990/91,345-356

40. T.R. Оке Street design and urban canopy layer climate.-Energy and build., Ml, 1988,103-113.

41. Pope S.B. and Whitelaw J.H. The calculation of near wake flows.- J. Fluid Mech., 73,1976

42. Regland K.W. Multiple box model of air pollution from area sower.-Atmospher. Environ., 1973, vol, 7, №11, pp. 1017-1032.- 78

43. Torrance K., Davis R., Eike K., Gill P., Gutman D., Hsui A., Lyons $., Sen H. Cavity flows driven by buoyancy and shear.-JL Fluid Mech., v. 5!, Part 2

44. Ulitzsch D, Modelirung der Ausbreitung von Luftschadstoßen unter Beruksichtigimg beliebig bewegter Punktquellen.- Zeitschrift fur Meteorologie, b.37, Ks5,1987

45. Sc = .75 e 0 nuffi ~} snm « Ш00

46. Vfcs'fS. 2,2x,,m=\B,2x,,f~,i3i2x,,10=\f5.2,/,5x>

47. Sc ~ 0.75 RASHO = .005 if(switch.eq.0.or.switch,eqJ) then RASH = RASHO else

48. CONTINUE do 7441=1,0 LZ do 744 j=G4JR,M KU) = l(U)