Моделирование распространения загрязняющих веществ в горных ущельях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Радионов, Анатолий Анатольевич

• Радионов, Анатолий Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Радионов, Анатолий Анатольевич

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Моделирование распространения загрязняющих веществ.

1.2. Моделирование турбулентности.

1.3. Моделирование аэродинамики атмосферы в горных ущельях.

Глава 2. Основные уравнения аэродинамики атмосферы.

Глава 3. Одномерная модель.

Глава 4. Квазиламинарная гидростатическая модель с осреднением по ширине ущелья.

Глава 5. Негидростатическая модель ущелья.

5.1. Квазиламинарная модель ущелья.

5.2. Расчет течения в ущелье с использованием дифференциального уравнения для энергии турбулентности.

Глава 6. Комплекс программ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование распространения загрязняющих веществ в горных ущельях»

Актуальность темы

В связи с хозяйственным освоением горных территорий, которое связанно с добычей полезных ископаемых, созданием рекреационных зон, развитием транспортной сети растет интерес к атмосферным процессам в горных условиях.

По современным представлениям, экологические системы горных территорий более подвержены влиянию антропогенного воздействия, чем равнинные, что требует более тщательного анализа последствий хозяйственной деятельности в горах.

Строительство горнодобывающих и горнообогатительных предприятий в горных ущельях приводит к тому, что концентрация загрязняющих веществ в атмосфере оказывается существенно выше, чем на равнине, при той же интенсивности источников загрязнения. Значительно хуже рассеиваются в атмосфере гор и загрязняющие вещества, выбрасываемые автотранспортом на крупных автомагистралях, проложенных в ущельях.

Населенные пункты, расположенные в горах, должны проектироваться с учетом местных особенностей атмосферных течений, для того чтобы условия проживания в них были достаточно комфортны. Особенно это касается санаторно-курортных зон.

Определение типичных полей скорости ветра и предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ стационарными и подвижными источниками затрудняется специфическими особенностями каждого конкретного ущелья, роль которых настолько велика, что даже создание классификации ущелий с точки зрения их аэродинамики представляет значительные трудности.

Редкая сеть аэрологических наблюдений, ограниченные возможности ее увеличения из-за сложности рельефа даже во время специальных экспедиций, малое количество одновременных наблюдений с наветренной и подветренной сторон горных хребтов, затрудняют выявление кинематики и динамики процессов в атмосфере, что увеличивает роль математического моделирования этих процессов.

Научная идея

Основные особенности аэродинамики горных ущелий и распространения в них загрязняющих веществ могут быть выявлены только путем математического моделирования. Поскольку ряд существенных особенностей течения может быть выявлен только при высоком разрешении, необходимо создание возможно более простых моделей, описывающих течение в горных ущельях.

Цель и задачи исследования Основные особенности аэродинамики горных ущелий и распространения в них загрязняющих веществ могут быть выявлены только путем математического моделирования. Целью работы является создание возможно более простых моделей, способных отразить основные закономерности процессов в ущельях. В соответствии с этой целью решен ряд задач: созданы четыре математические модели горного ущелья различной сложности; разработаны конечно-разностные схемы решения системы нестационарных уравнений для каждой из моделей; на основе алгоритмов, реализующих предложенные схемы, создано программное обеспечение для ЭВМ, позволяющее моделировать термодинамические процессы в атмосфере горных ущелий; и проведены расчеты термодинамических процессов и процессов распространения загрязняющих веществ.

Методы исследования Построение математических моделей и их численная реализация на ЭВМ. Проведение численных экспериментов.

Научная новизна

1. Показано, что формирование потока воздуха вдоль ущелья связано не только с его уклоном, но и с особенностями течения воздуха в поперечном сечении ущелья. Эти особенности могут объяснить образование аномальной горно-долинной циркуляции.

2. Найдено, что направление течения воздуха вдоль ущелья зависит от отношения ширины ущелья к его глубине, причем переход от одного режима течения к другому происходит скачкообразно.

3. Численными экспериментами подтверждено, что в ущельях нередко реализуется пульсирующий режим течения, особенно в утреннее и дневное время, что приводит к достаточно быстрому изменению приземной концентрации загрязняющего вещества даже на больших расстояниях от источника загрязнения.

4. В численных экспериментах найдено, что возможно появление двух- и трехвихревых структур течения в поперечном сечении ущелья, устойчивых продолжительное время. Показано, что в ущелье может существовать участок подстилающей поверхности внутри ущелья, размещение в котором источника загрязняющего вещества приведет к наилучшему вентилированию ущелья.

Практическая ценность

Получены рекомендации по проведению измерений на метеопостах в ущельях с целью повышения репрезентативности наблюдений.

Обоснованность и достоверность научных выводов и рекомендаций подтверждаются сравнением с данными измерений, приведенных в литературных источниках.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались на ежегодной конференции по итогам НИР СОГУ (Владикавказ 1995 г.); второй международной конференции «Безопасность и экология горных территорий» (Владикавказ 1995 г.); конференциях «Математические модели и численные методы механики сплошных сред» (Новосибирск 1996 г.); «Горы Северной Осетии: природопользование и проблемы экологии» (Владикавказ 1996 г.), пятой международной конференции «Устойчивое развитие горных территорий: проблемы регионального сотрудничества и региональной политики горных регионов» (Владикавказ 2001 г.); международной конференции «Нелокальные краевые задачи и родственные проблемы математической биологии, информатики и физики» (Нальчик, 2001г.); международной конференции «Информационные технологии и системы: наука и практика» (Владикавказ 2002г.); третьей международной конференции (к 200-летию Кавказских Минеральных вод) «Состояние и охрана воздушного бассейна и водно-минеральных ресурсов курортно-рекриационных регионов» (Кисловодск, апрель 2003г.); международной научно-технической конференции «Информационные технологии и системы: новые информационные технологии в науке, образовании, экономике» (Владикавказ 2003г.); и опубликованы в печатных работах.

Структура и объем работы

Диссертация включает введение, шесть глав, заключение, список литературы из 112 источников и три приложения, содержащие описания основных понятий и исходные тексты программ на языке С++. Содержание диссертационной работы изложено на 163 машинописных листах.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Радионов, Анатолий Анатольевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

Построен ряд математических моделей аэродинамики горного ущелья различной степени сложности и разного предназначения. Проведено их сравнение и выбрана математическая модель, адекватно описывающая аэродинамику горного ущелья и качественно верно отражающая явления, наблюдаемые при натурных измерениях.

Разработан пакет программ, обеспечивающий получение полной информации о процессе численного эксперимента, возможность изменения ряда параметров модели в процессе расчета, и также сохранение результатов расчета в табличном или графическом виде для дальнейшего анализа.

Проведено численное моделирование аэродинамики горного ущелья. Определены параметры математической модели, описывающие наибольшее влияние на движения воздуха. Изучена зависимость течения в ущелье от наиболее важных параметров. Даны рекомендации для практических измерений движения воздуха в горных ущельях.

С помощью данного комплекса проведено исследование аэродинамических особенностей в горном ущелье, расположенном на Северо-Кавказском хребте ( ущелье реки Ардон ). Изучено распространение выбросов загрязняющих веществ хвостохранилищем, расположенным в этом ущелье.

151

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Радионов, Анатолий Анатольевич, 2004 год

1. Каменецкий Е. С., Радионов А. А., Созанов В. Г. Распространение загрязняющих веществ в ущельях // Проблемы математического анализа. Тезисы докладов конференции по итогам НИР за 1994 год. Владикавказ, 1995. С. 118-119.

2. Каменецкий Е. С., Радионов А. А., Созанов В.Г. Моделирование распространения загрязняющих веществ в ущельях // Тезисы докладов участников П международной конференции «Безопасность и экология горных территорий», Владикавказ, 1995. С. 580-581.

3. Каменецкий Е. С., Радионов А. А, Созанов В.Г. Моделирование распространения загрязняющих веществ в горных ущельях // Математические модели и численные методы механики сплошных сред. Новосибирск, 1996. С. 308-310.

4. Каменецкий Е. С., Радионов А. А., Созанов В.Г. Сравнение различных конечно-разностных аппроксимаций уравнения диффузии // Сопряжённые задачи механики и экологии. Материалы международной конференции. Томск, 1996. С. 117.

5. Kamenetsky Е. S., RadionofF A. A. Aerodynamics of mountain valleys with varying cross sections If Boundary-Layer Meteorology, 1999, v.91 N.2, 191197.

6. Каменецкий E. С., Радионов А. А. Одномерная модель горного ущелья If Вестник Северо-Осетинского гос. университета им. К. Л. Хетагурова.

7. Естественные науки. N.1,1999. С. 96-98.

8. Радионов А. А. Суточные изменения аэродинамики горного ущелья II Тезисы международной конференции «Информационные технологии и системы: наука и практика». Владикавказ, 2002. С. 439-441.

9. НАУЧНАЯ И СПЕЦИАЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

10. Алексеев В. В., Кокорин А. О., Зайцев С. Н. Вымывание загрязняющих веществ из атмосферы // Метеорология и гидрология. 1988. №10. С. 6671.

11. Алоян А. Е., Фалейчик А. А., Фалейчик Л. М. Алгоритм численного решения мезометеорологических задач в случае криволинейной области // Математические модели рационального природопользования. -Новосибирск: Наука, 1989. С. 14-35.

12. Ахмедов Б. Н. Двумерная численная модель горно-долинной циркуляции // Проблемы контроля и защиты атмосферы от загрязнения. 1990. №16. С. 30-34.

13. Бакланов А. А. Численное моделирование задач гидродинамикиатмосферы в областях сложной формы // Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики. Материалы Всесоюзной конференции. Новосибирск, 1985. С. 155-161.

14. Барри Р. Г. Погода и климат в горах. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 311 с.

15. Белоцерковский О. М., Андрущенко В.А., Шевелев Ю.Д. Динамика пространственных вихревых течений в неоднородной атмосфере. М.: Янус-К, 2000. 456 с.

16. Белоцерковский О. М., Опарин А.М., Чечеткин В.М. Турбулентность: новые подходы. М.: Наука, 2002. 286 с.

17. Беляев К. В., Никулин Д. А., Стрелец М. X. Моделирование трёхмерных процессов вентиляции на основе уравнений Рейнольдса // Математическое моделирование. 1998. Т. 10. №12. С. 71-86.

18. Беляев Н. Н., Никулин И. В., Хрущ В. В. Моделирование загрязнения атмосферы от хвостохранилшца // Металлургическая и горнорудная промышленность. 1997. № 4. С. 100-102.

19. Бенгтссон Л., Темпертон К. Разностные аппроксимации квазигеострофических моделей // Численные методы используемые в атмосферных моделях. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. С. 245-273.

20. Берлянд М. И. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975.448 с.

21. Берлянд М. И. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 278 с.

22. Берлянд М. Е., Генихович Е. Л., Грачёва И. Г., Киселёв В. Б., Хуршудян Л. Г. Моделирование распространения примеси в условиях сложного рельефа // Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. М.: Гидрометеоиздат, 1981. Т. 1. С. 65-72.

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

24. Браун Р. А. Аналитические методы моделирования планетарногопограничного слоя. Л.: Гидрометеоиздат, 1978.150 с.

25. Буйнов В. М. О граничном условии для уравнения турбулентной диффузии на подстилающей поверхности // Метеорология и гидрология. 1990. №9. С. 52-56.

26. Вызова Л. Н., Иванов В. Н., Гаргер Е. Н. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 268 с.

27. Бызова Л. Н., Кротова И. А., Натанзон Г. А. О граничном условии в задачах рассеяния примеси в атмосфере // Метеорология и гидрология. 1980. №2. С. 14-20.

28. Бютнер Э. К. Динамика приповерхностного слоя воздуха. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 158 с.

29. Виеру H.H. Математическое моделирование распространения загрязняющих веществ от автотранспорта в условиях городской застройки // Диссертация на соискание учёной степени к.ф.-м.н. -Ростов-на-Дону. 1994. 125 с.

30. Владимиров A.C. Численное моделирование распространения пассивной примеси в атмосфере // Метеорология и гидрология. 1999. №9. С. 22-35.

31. Гаврилов В. П., Горматюк Ю. К. Рассеяние примеси от стационарных источников в приземном слое атмосферы // Метеорология и гидрология. 1989. №2. С. 37-47.

32. Гутман Л. Н. Введение в нелинейную теорию мезометеорологических процессов. Л.: Гидрометеоиздат, 1960. 293 с.

33. Давиташвили Т. П. Численное моделирование обтекания горного хребта воздушным потоком // Труды института прикладной математики Тбилисского Государственного Университета. 1990. №40. С. 34-50.

34. Джалурия Й. Естественная конвекция. М.: Мир, 1983.399 с.

35. Донев Е. Двумерен числен модел на турбулентен граничен слой над повърхност със сложна геометрия // Годишник на Софийския университет. Физически факультет. 1983. Т. 77, С. 60-77.

36. Дубов А. С., Быкова Л. П., Марунич С. В. Турбулентность в растительном покрове. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 180 с.

37. Дьяков А. Б., Игнатьев Ю. В., Коншин Е. П. и др. Экологическая безопасность транспортных потоков. М.: Транспорт, 1989. 128 с.

38. Зорин A.B. Исследование метеоусловий в районе карьеров «Коашвинский» и «Ньюоркпаркский» // Горный журнал. 2002. №4. С. 90-91.

39. Ингель Л. X. О механизме перемежаемости турбулентности в приземном слое // Метеорология и гидрология. 2000. №2. С. 99-103.

40. Кадер Б. А. Трёхслойная структура неустойчиво стратифицированного приземного слоя атмосферы // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1988. Т. 24. №12. С. 1235-1250.

41. Кадер Б. А, Перепёлкин В. Г. Влияние неустойчивой стратификации на профили скорости ветра и температуры в приземном слое // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1989. Т. 25. №8. С. 787-795.

42. Кадер Б. А., Яглом А. М. Законы подобия для пристенных турбулентных течений // Итоги науки и техники. Механика жидкости и газа. М.: ВИНИТИ, 1980. Т. 13. С. 81-155.

43. Каменецкий Е. С. Математические модели распространения загрязняющих веществ в атмосфере горных и предгорных районов // Вестник Северо-Осетинского отдела Русского географического общества. 1997. №2. С. 48-52.

44. Каменецкий Е. С., Татаринов Е. Г. Расчёт распространения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы // Известия СО РАН. Сибирский физико-технический журнал. 1992. №6. С. 121-125.

45. Коларова М., Йорданов Д., Сираков Д., Джолов Т. , Караджов Д., Александров JI. Параметризация конвективного планетарного пограничного слоя // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1989. Т. 25. №6. С. 659-664.

46. Константинов П. Я. Приземные инверсии в долинах и на междуречьях центральной части Среднесибирского плоскогорья // Метеорология и гидрология. 1995. №10. С. 35-41.

47. Королёв С. М., Рябошапко А. Г. Некоторые параметры дальнего атмосферного переноса загрязняющих веществ от крупного промышленного комплекса // Сборник докладов на международном симпозиуме в Ленинграде. Март 1977 М.: Гидрометеоиздат, 1981. Т. 2,9-14.

48. Костриков A.A. Использование метода крупных частиц в однослойной модели обтекания рельефа // Метеорология и гидрология. 1992. №9. С. 74-83.

49. Крамар В. Ф., Менжулина Т. В. Об особенностях использования оптимальной интерполяции для мезомаспггабного объективного анализа в области сложного рельефа // Метеорология и гидрология. 1991. №12. С. 20-28.

50. Лайхтман Д. Л. Физика пограничного слоя атмосферы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 341 с.

51. Марчук Г. И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука, 1962. 310 с.

52. Мостовой Г. В. Простая лагранжева модель мезомаспггабного переноса примесей в атмосфере // Метеорология и гидрология. 1993. №5. С. 29-35.

53. Мостовой Г. В. Простая гидродинамическая модель для диагноза поля приземного ветра // Метеорология и гидрология. 1993. №10. С. 14-21.

54. Панин Б. Д., Репинская Р. П., Бузиан К., Фонлей У. Неадиабатическая региональная модель на вложенной сетке // Метеорология и гидрология. 1999. №3. С. 37-48.58