Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Распределение концентраций газовых примесей в приземном слое атмосферы населенных мест с учетом застройки

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Распределение концентраций газовых примесей в приземном слое атмосферы населенных мест с учетом застройки"

На правах рукописи

БЛАГОРОДОВА НАТАЛЬЯ ВИТАЛЬЕВНА

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ ГАЗОВЫХ ПРИМЕСЕЙ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ С УЧЕТОМ ЗАСТРОЙКИ

11.00.11 - «Охрана окружающей среды

и рациональное использование природных ресурсов (технические науки)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени ■ кандидата технических наук

г?

Соискатель

Ростов-на-Дону, 1998

Работа выполнена в Ростовском государственном строительном университете.

Научный руководитель:

Научный консультант :

кандидат технических наук, доцент Пушенко С.Л.

заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Журавлев В.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Штокман Е.А.

кандидат технических наук, доцент Василенко А.И.

Ведущая организация: - АОО институт «Ростовтеплоэлектропроект»

Защита состоится 1998 г. в часов на заседании дис-

сертационного совета К.063.64.04 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, Ростов-на-Дону, ул.Социалистическая,162.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГСУ. Автореферат разослан "

/¿Г*

мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Пушенко С.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ:

Проблема взаимодействия человека с окружающей средой на урбанизируемых территориях охватывает сегодня большой комплекс различных, но тесно взаимосвязанных вопросов, важное место среди которых занимает защита воздушной среды от загрязнений. Экологическая ситуация в современных городах характеризуется высокой степенью запыленности и загазованности атмосферного воздуха.

Действующая в настоящее время система атмосферозащитных мероприятий в городах, кроме службы контроля качества атмосферного воздуха, включает в себя два основных направления: мероприятия активного характера и мероприятия пассивного характера. К активным относят комплекс инженерно-технических и технологических мероприятий, основная цель которых - исключить полностью или частично выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. Однако производственные выбросы попадают в атмосферу, следовательно, возникает необходимость проведения мероприятий пассивного характера, к которым относят организационные (вынос производственных предприятий за пределы застройки) и градостроительно-планировочные. Главная цель гра-достроительно-планировочных мероприятий - способствовать ускорению процесса рассеивания и выноса загрязняющих веществ за пределы застройки.

На процесс рассеивания загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы активно влияет не только планировочная структура территории, но и сами здания (сооружения) , их взаимное расположение, габаритные размеры, ориентация относительно господствующих ветров. Одна из проблем, часто встречающаяся при рассеивании загрязняющих веществ от низких источников, состоит в том, что начальное рассеивание существенно увеличивается в аэродинамической тени строений, непосредственно прилегающих к источнику выброса.

В архитектурно-строительной практике, при разработке генеральных планов городов и населенных мест, а также проектов застройки крупных промышленных узлов проводится пофакторный анализ состояния атмосферы и прогноз его изменения после ввода предприятий в эксплуатацию в соответствии с нормативными документами. При проектировании объектов про-мышленно-селитебных территорий оценивается только ветровой режим застраиваемой территории. Процесс рассеивания загрязняющих веществ, тесно связанный с аэрацией территорий, в реальном проектировании отдельных объектов городского строительства непромышленного назначения практически не рассматривается. Проекты зданий индивидуального характера оцени-

ваются путем испытаний в аэродинамической трубе, что связано с рядом трудностей, среди которых не только высокая стоимость подобных исследований, но и малочисленность установок необходимой мощности. Поэтому наиболее рациональным и актуальным путем решения данной задачи, на наш взгляд, является применение математического моделирования рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере.

Математическое моделирование обладает рядом существенных преимуществ:

- позволяет выбирать наиболее оптимальный проектный вариант без влияния субъективного фактора;

- позволяет оценивать возможные последствия принимаемых проектных решений;

- дает возможность прогнозирования поведения исследуемой системы во времени;

- позволяет производить детальное исследование качества атмосферного воздуха и оценку воздействия от предполагаемых новых и от реконструкции уже существующих источников выброса примесей на качество атмосферного воздуха городских территорий.

ЦЕЛЬЮ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ является разработка методики пофактор-ной оценки и прогноза состояния приземного слоя атмосферы и аэрационного режима на территории проектируемой и существующей застройки, прилегающей к источникам выбросов загрязняющих веществ с учетом габаритных размеров и геометрической формы.

ОСНОВНАЯ ИДЕЯ РАБОТЫ: оценка влияния принимаемых градостроительных решений на процесс рассеивания загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

- разработана методика исследований процесса рассеивания вредностей в приземном слое атмосферы, учитывающая геометрические параметры застройки территории;

- разработана математическая модель рассеивания вредностей в приземном слое атмосферы на городских территориях;

- обоснованы граничные условия, позволившие моделировать поля скорости и концентраций вокруг зданий строчной застройки;

- разработан метод расчета концентраций газовых примесей в приземном слое атмосферы застроенной территории.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, выводов,

РЕКОМЕНДАЦИЙ подтверждается использованием классических положений механики сплошных сред, удовлетворительной сходимостью полученных результатов с расчетами по известным методикам.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ заключается в разработке методики, которая позволяет при проектировании объектов городского строительства проводить оценку влияния принимаемых градостроительных решений на процесс рассеивания загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы. Разработанный программный комплекс позволяет производить выбор наилучшего проектного варианта с точки зрения обеспечения нормативных параметров воздушной среды и аэрационного режима территории.

Диссертация выполнена в соответствии с планом важнейших научных исследований РГСУ по теме №01.9.2004851 «Разработка и внедрение в практику систем жизнеобеспечения в производственной и окружающей средах».

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы внедрены:

1. При проектировании объектов индивидуальной застройки по улице Доватора в г.Ростове-на-Дону.

2. При проектировании жилых домов в пос.Донской Новочеркасской ГРЭС и пос.Солнечнодольск Ставропольской ГРЭС.

3. Методика оценки рассеивания концентраций газовых примесей и разработанный программный комплекс для ПК используется в учебных курсах «Охрана окружающей среды» и «Охрана воздушного бассейна» для студентов специальности 330200 «Инженерная защита окружающей среды».

4. Материалы работы и результаты исследований вошли в учебное пособие «Загрязнение атмосферы населенных пунктов»для студентов вузов специальности 330200 «Инженерная защита окружающей среды».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ:

Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены:

- на III Международной конференции "Экология города", г.Ростов-на-Дону, 1994 г.;

- на Международной конференции "Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций", г.Белгород, 1995 г.;

- на Российской научно-технической конференции, посвященной 25-летию ЗГУ, "Совершенствование технологических процессов пищевой промышлен-iocra и АПК", г.Оренбург, 1996 г.;

- на второй международной научной студенческой конференции "Город и жология", г.Ростов- на-Дону, 1996 г.;

- на Российской научно-технической конференции "Сертификация и управление качеством экосистем на Южном Урале", г.Оренбург, 1997г.;

- на Юбилейной VII Международной конференции «Метод крупных частиц: теория и приложения», г. Москва, 1997 г.;

- на научно-технических конференциях РГСУ в 1994-1998 гг .

ПУБЛИКАЦИИ. Результаты исследований по теме диссертационной работы опубликованы в 14 научных работах, а также в госбюджетных научно-технических отчетах кафедры Охраны труда и окружающей среды РГСУ за 1994-98 гг.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, содержит: 209 страниц, их них 148 страниц основного текста, 33 рисунка , 9 приложений, 9 таблиц. Список литературных источников содержит 175 наименований на русском и иностранных языках.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие основные положения:

- математическая модель рассеивания загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы от низких источников с учетом геометрических параметров зданий городской застройки;

- граничные условия моделирования полей скоростей и концентраций на застроенной территории

- численная реализация математической модели на ПК;

- метод расчета предпроектного состояния и принимаемых градостроительных решений по фактору качества атмосферного воздуха и аэрационно-го режима застроенной территории .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Выделение загрязняющих веществ в окружающую среду в определенной степени послужило поводом для раздельного проектирования объектов городского строительства и промышленных предприятий. На протяжении ряда десятилетий с целью предотвращения загрязнения атмосферы городов пром-предприятия выводились за пределы городской черты. Однако сегодня промышленная и жилая застройка существуют рядом, оказывая активное влияние друг на друга, особенно в исторически сложившихся центральных районах. Существующие на предприятиях системы снижения выбросов в атмосферу загрязняющих веществ не всегда обеспечивают достижение нормативных параметров. Поэтому при решении вопросов рассеивания загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы в границах существующей застройки необходимо

опираться на знание законов атмосферной диффузии и учитывать многообразие факторов, оказывающих наибольшее влияние на данный процесс.

Для осуществления поставленных в работе задач нами проведено обобщение и систематизация существующих исследований в области турбулентной зиффузии в нижних слоях атмосферы. Определено, что наиболее хорошо изученным на сегодняшний день является процесс рассеивания загрязняющих веде ств от высоких точечных источников, для которых получены, модели на эснове положений статистической теории турбулентности. Существующие модели рассеивания загрязняющих веществ на застроенных территориях (города) тостроены без учета влияния рельефа и параметров застройки. Такие модели ie позволяют прогнозировать реальные ситуации, связанные с архитектурно-таанировочными решениями отдельных зданий и фрагментов городской за-лройки, поскольку здания выступают здесь как элементы подсеточного масштаба. Существующие модели распространения загрязняющих веществ вблизи дания представляют собой либо полуэмпирические зависимости, справедли-!ые лишь для конкретных ситуаций и компоновок зданий, которые предусматривались при постановке физического эксперимента, либо используют шпарат математической статистики для обработки данных натурных замеров. Сроме того, эти модели не учитывают всего разнообразия природных и клинических условий. Однако они нашли практическое применение при расче--ах загрязнения воздуха на промышленных площадках. В современной градо-троительнон практике при проектировании объектов селитебной территории [спользуются методики, направленные на определение лишь микроклиматиче-ких параметров воздушной среда.

Анализ существующих моделей атмосферной диффузии показал, что [рнменение общепринятых формул для,расчета полей концентраций примесей, :оторые создаются источниками, расположенными вблизи здания (зданий), асто приводит к неверным результатам. Сложность возникающих вокруг дания полей потока с резкими перепадами скоростей и неоднородной турбу-ентностью приводит к выводу о том, что аналитическое решение уравнений ;иффузии в данном случае едва ли будет определено в ближайшее время. Од-!йко численное решение, детально описывающее поле потока, несущего при-[еси, вполне возможно на основе современных численных методов.

Таким образом, дальнейшая разработка способов и средств аэродина-[ического рассеивания загрязняющих веществ возможна на основе математи-еского воспроизведения реальных процессов с применением современных IK. Такие исследования в течение ряда лет проводятся на кафедре «Охраны руда и окружающей среды» РГСУ.

В основу построенной нами математической модели рассеивания газообразных загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы на городских территориях положен мощный современный численный метод - метод крупных частиц (автор проф. Давыдов Ю.М.). Метод крупных частиц (МКЧ) соединяет в себе достоинства эйлерова и лагранжевого подходов к решению задач аэродинамики, использует сравнительно простой алгоритм и позволяет проводить устойчивый счет без предварительного выделения особенностей решения. Математическая модель достаточно точно воспроизводит местные гидравлические явления (срывы потока с острых кромок , вихреобразование и изменение конфигурации потока), которые наблюдаются вблизи зданий. Движение газодинамического потока описывается системой дифференциальных уравнений Эйлера (с приближенным механизмом диссипации).

Основная идея МКЧ состоит в расщеплении исходной системы уравнений по физическим процессам. Моделируемая среда заменяется системой жидких частиц, совпадающих в данный момент времени с ячейками эйлеровой сетки (системой крупных частиц). На каждом временном интервале At последовательно выполняются три основных этапа вычисления параметров потока:

1) На первом этапе расщепления (эйлеров этап расчета) крупная частица движется со скоростью С/ как целое под действием только сил давления, при этом считается, что перетекание массы жидкости через поверхность ячейки отсутствует (поверхность ячейки непроницаема). Здесь реализуется эйлерова интерпретация движущейся газовой среды как неподвижного пространства, заполненного движущейся жидкостью. Параметры, характеризующие движение, рассматриваются как функции пространства и времени, а изменения параметров потока прослеживаются при последовательном переборе точек пространства.

2) На втором этапе реализуется лагранжева интерпретация движущейся газовой среды как совокупности частиц, заполняющих «жидкий объем», а газодинамические параметры рассматриваются как функции времени и величин, присущих только рассматриваемой в данный момент частице. Теперь в расчете (лагранжев этап) учитываются потоки массы, импульса и энергии, перетекающие через границы ячейки (поверхность крупной частицы считается проницаемой). На данном этапе осуществляется обмен с окружающей средой и, с учетом закона сохранения, формируется крупная частица с новыми газодинамическими параметрами, которая за время А? физического цикла проходит путь II х А/. Схема движения крупной частицы сравнима с моделью турбу-

ленттгого перемешивания Прандтля, а вектор U X At выступает аналогом прандтлевского пути смешения.

3)На заключительном этапе расчета новые значения газодинамических параметров потока определяются путем интерполяции в прежних узлах расчетной сетки.

Представление среды в виде элементов "крупных частиц", разбиение процесса вычисления на интервалы, "настройка" течения по потоку энергии весьма физичны и позволяют избежать трудностей, характерных для уравнений Навье-Стокса при больших числах Рейнольдса.

С целью сохранения единого хода вычислений вдоль всех границ расчетной области вводятся слои фиктивных ячеек. Параметры потока в фиктивных ячейках определяются из смежных ячеек с учетом рода границы расчетной области. Количество слоев фиктивных ячеек определяется порядком разностной схемы. Для первого порядка точности вводится один слой фиктивных ячеек, для разностной схемы второго порядка точности - два слоя фиктивных ячеек и т.д. На рис.1 приведена схема расчетной области для варианта отдельно стоящего здания, слои фиктивных ячеек заштрихованы.

При постановке граничных условий и определении размеров сеточной расчетной области определяющим является условие: внутрь расчетной зоны не должны попадать слишком заметные возмущения. Поэтому левая граница расчетной области выбиралась в проведенных расчетах на расстоянии lx = min ( ЪН30) до подветренной стены модулируемого здания (сооружения), а верхняя граница расчетной области на расстоянии / = min ( 2Нзд) до поверхности крыши здания.

Пространственно-физические границы расчетной области задаются двух типов: открытые (ВС, CD) и непроницаемые (поверхность земли и поверхности стен моделируемого здания). На нижней границе расчетной области (отрезок AD на схеме), которая имитирует поверхность земли, ставится условие непротекания - нормальная к поверхности земли компонента скорости меняет знак на противоположный в слое фиктивных ячеек, остальные параметры потока сносятся без изменения:

ui,l=ui,2>' Р/,1 = Р/,2 ^

vi,\ = ~vi,2-' Ei\ ~ Za-

На поверхностях стен здания ставится условие прилипания (2), моделируется течение без проскальзывания, обе компоненты вектора скорости меня-

ют знак на противоположный. Например, на границе ЕЙ (левая стена здания) граничные условия ставятся так:

иА'Р^ ~ ~иАтР-],/> Рл'Л; ~ Рд'Я-1,7' ^

''Л/',; ~ - •

.- О ' О о ' о о о о о О о ■ . о. п2, т2

Щ-1 в О О о о о О О О о п2-1, т2-1 С

■ - ° г,!- о О о ЫР-1, МР+1 о ЫР+1, МР+1 1, МР+1 т-1, МР+1 о А'К+1 МР+1 о о

- о о О р КР, № . МР МР ■УК-1, МР Ж' МР... К о о

и: О о о ЛТ-1. МР-1 Ш: МР-1 о о о Ж МР-1 ХК+1 МР-1 о , ..

0 о О о ■ О ■ о о О О О О о

и О о О N¡>-1. 2 \7> 2 о О о „ 2 МК+1 2 о о

и А о О 'о Е о ... О о О £ • ■ о с цх

Рис. 7. Схема расчетной области и особенности постановки граничных условий на поверхностях стен и крыши моделируемого здания

Анализ постановки граничных условий показал, что последовательная постановка условий на стенах "открывает" границы (т.е. образуется открытый участок) в углах моделируемого здания. В расчетах нами предложено дополнительно ставить граничные условия в углах моделируемого здания:

левый угол моделируемого здания: МР ~ ^ММ, МР+1 >

правый угол: С1Ж МР = МР+1'

где С1 = (и,У,р,Е).

Через открытые границы расчетной области происходит конвективный перенос массы жидкости и соответствующие этой массе переносы импульса и полной энергии. Следует различать открытые границы, через которые поток "втекает" в расчетную область, и границы, через которые поток "вытекает" за пределы рассматриваемой зоны. На левой границе (АВ) поток "втекает" в расчетную зону, здесь задаются необходимые параметры (р, и, V, Е) набегающего потока. На открытых "вытекающих" границах области 'проводится экстраполяция параметров потока "изнутри". Для дозвукового течения необходимо и достаточно ставить следующее граничное условие: Р = /(Е, и, V, р), то есть распределение статического давления на выходных границах расчетной области. Если в процессе установления на выходной (правой) границе нормальная составляющая скорости потока становится отрицательной, то есть направленной внутрь расчетной области, граничные условия ставятся аналогично входной границе (четыре основных параметра -

и, р, Е, Р).

Основные задачи проведенного вычислительного эксперимента:

- моделирование структуры турбулентных зон вокруг обтекаемого воздушным потоком отдельно стоящего здания (сооружения) и группы зданий;

- прогноз полей концентраций газовых примесей от низких изотермических источников выброса вокруг зданий (сооружений) городской застройки;

- разработка методики применения программного комплекса в реальном проектировании объектов городского строительства различного объемного решения и функционального назначения.

Планированию вычислительного эксперимента предшествовал анализ существующей практики проектирования объектов городской застройки. Обычно проектируется два типа зданий по этажности:

1-при основной пятиэтажной застройке зданиями линейного типа отдельные включения девятиэтажной застройки;

2- при основной девятиэтажной застройке зданиями линейного типа включение зданий высотой 14, 16 или 20 этажей башенного типа.

Существует и ряд типовых вариаций проектных решений фрагментов застройки населенных мест:

1 - здания повышенной этажности располагают с наветренной стороны фрагмента,

2 - здания повышенной этажности находятся с заветренной стороны фрагмента,

3 - здания повышенной этажности находятся сбоку (справа или слева) по отношению к фрагменту.

Для проведения вычислительного эксперимента нами разработан программный комплекс, состоящий из следующих программ: PROG 1 (для расчета газодинамических параметров потока при обтекании отдельно стоящего здания), PROG 2 (для варианта двух и более зданий). Обе программы написаны на языке Фортран 77, имеют модульную структуру, позволяют вести расчет на ПК класса IBM. Для визуализации полученных результатов разработаны программы GRAFIK и GRAFIK-T, написанные на языке Турбо-Бейсик, позволяющие использовать возможности встроенного графического редактора и подключать программу EXCEL-7.

Вычислительный эксперимент выполнялся на прямоугольной расчетной сетке. В расчетах использовалась вертикальная плоскость симметрии. Максимальное количество узлов расчетной сетки принималось в расчетах 161x55 (8,855 тыс.) ячеек. В первоначальный момент времени по всей расчетной области в качестве начальных условий принимались параметры невозмущенного потока:

и=иж, Р = Роо, , (3)

2 Р«,(у-1)

где U - скорость воздушного потока, р - плотность, Е - полная энергия на единицу массы газа, Р - давление, у - показатель адиабаты (равный 1,4), который является важным критерием подобия моделируемого процесса.

Физические параметры процесса представлялись в безразмерном виде с учетом следующих соотношений:

t-U — х-т = i±2L ; (¿ = 1,2);

-Р TT V л Р ~ Е

Р=— ; U = —— ; Р=-г ; Е = — . (4)

Р=о У. PoD-UÍ Ul

Величины с индексом "со" относятся к параметрам невозмущенного процесса, L - характерный линейный размер (например, высота здания).

Шаг по времени обеспечивает устойчивость вычислительного процесса. Выбор At определялся из условия Куранта-Фридрихса-Леви:

Аt =- , где АS = (Ах, А>') , (5)

К-а

где AS - шаг интегрирования по пространству, К - число Куранта, численное значение которого выбиралось в зависимости от необходимой точности получаемого результата. При отладочных расчетах шаг интегрирования по времени подбирался экспериментально.

Здание располагалось нормально к потоку. Предполагалось, что состояние атмосферы безразличное, поверхность земли - плоская, профиль ветра задавался логарифмический, турбулентность считали однородной, давление постоянным. Высота отдельно стоящего здания выбиралась 10, 15, 20, 30 л«, ширина здания варьировалась от 1 /2Язд.до 4Н3д-

Общее количество просчитанных вариантов отдельно стоящего здания при различных геометрических параметрах составляет 25. Для параллельно расположенных зданий просчитан 21 вариант наиболее часто применяемых в строительстве (по высоте) фрагментов застройки. Графический результат моделирования векторного поля скорости для варианта 2-х зданий строчной застройки (с параметрами Нзд.' =2Н3дП, где Н3д - высота первого по потоку здания, И3д." - высота второго здания) представлен на рис.2. Численный результат аэродинамического расчета представляет собой два массива данных (первый - матрица значений длины вектора скорости в каждой расчетной точке, второй - матрица углов наклона вектора скорости к поверхности зем-ли).Визуализация данных расчета стала возможна в результате работы программы GRAFIK, которая анализирует полученные результаты счета газодинамических параметров потока по программе PROG.for и дает возможность построить и вывести на печать:

- векторную диаграмму изменения скоростных полей вокруг зданий строчной застройки по всей расчетной области или на ее половине (рис.3);

- векторную диаграмму изменения скоростных полей интересующего пользователя фрагмента расчетной области (рис.4);

файла- ¿8 к= 3

н.

зд

211

ЗД

Рис. 2

311

ад

411

■зд

Относительное расстояние, Н:

зд

Сформированное векторное поле скорости вокруг параллельно расположенных зданий с геометрическими параметрами: Н3д! :=2Н3д при расстоянии между зданиями 1*=НШ.1

О

Рис.3 Смоделированное попе вектора скорости вокруг здания усложненной формы

исходные данные из файла- tl5 к= 2

Рис. 4 Графический результат расчета - укрупненный фрагмент 1 (работа программы GRAFIK)

Рис.5 Векторная диаграмма скорости в отмеченном пользователем сечении (программа О КАИК)

- диаграмму изменения вектора скорости в отмеченном пользователем вертикальном сечении (рис.5).

- численное значение любого параметра в отмеченной пользователем точке расчетной области.

Полученные результаты вычислительного эксперимента сравнивались с расчетами по известным методикам по размерам циркуляционных зон, возникающих вокруг отдельно стоящего здания простой формы (параллелепипед), вокруг здания усложненной формы террасного типа и фрагментов строчной застройки, состоящей из параллельно расположенных зданий разной высоты. Погрешность счета при этом составила 0,5 - 25%

Вторая часть вычислительного эксперимента состояла в моделировании процесса рассеивания примесей вокруг зданий и фрагментов городской застройки. Следует заметить, что выбранный численный метод (МКЧ) был разработан и широко применяется проф. Давыдовым Ю.М и его учениками для решения задач авиа- и машиностроения, механики сплошных и сыпучих сред. Вопросы прогноза полей концентраций загрязняющих веществ в классической схеме метода крупных частиц не рассматривались, поэтому распространение легких примесей (газы, твердые частицы, диаметр которых менее 2мкм) нами

предложено моделировать на втором этапе расчета. При этом исходили из предположения, что примесь "вморожена" в газовоздушный поток и легко переносится им. Следовательно, на временном слое At""' решается задача о конвективном переносе примеси, поэтому второй «лагранжев» этап расчета дополнен нами следующей формулой:

рЛ+1 _ (~<П ,

4j ~ 4,j +

, ACf+,v-AM^/2J + AClkJAMl1/2J + AC?J+kAM?J+U2 + АС^_кАМ^т

pff-Ax-Aу

(6)

где А -коэффициент, равный: А = -1, если поток вытекает из ячейки (/, jj или А — 1, если поток втекает в ячейку (i, /); к - коэффициент, учитывающий локальное направление потока при определении индексов слагаемых вида C"±kj±k. Коэффициент принимает значение к = О, если поток

втекает в ячейку (/, jj; /с = 1, если поток вытекает через соответствующую сторону из расчетной ячейки {},/), р"j1 - плотность моделируемой примеси, AM"±k/2j±jc/2- переток массы частиц через соответствующие границы расчетных ячеек.

Формула (6) дает возможность моделировать источник выброса примеси в любой точке расчетной области и определять относительную концентрацию примеси. Под относительной концентрацией понимаем процентное соотношение величины расчетной концентрации (C"j) к концентрации в точке выброса (Cjg) примеси / С^д) -100%. Источник выброса примеси может моделироваться в любой точке (нли точках) расчетной области. Численный результат расчета концентраций примеси представляет собой матрицу значений, которая является исходной для работы программы GRAFIK-T.

В результате работы программы GRAFIK-T.bas имеется возможность представить результаты расчета относительной концентрации примеси в виде объемных диаграмм распределения моделируемого параметра (рис.ба), диаграмм суммарных значений (рис.66), диаграмм в интересующем пользователя горизонтальном сечении, посредством возможностей графического редактора стандартной программы EXCEL -7.

Рис.6 Поверхность распределения относительной концентрации моделируемой примеси а) в вертикальном сечении моделируемых зданий; б) суммарная диаграмма по всей расчетной области

Полученные результаты расчета и оценки полей концентрации примеси сравнивались с расчетными методиками других авторов и данными расчета по ОНД-86. Так, рассеивание относительной концентрации примеси в заветренной циркуляционной зоне широкого длинного здания при положении источника выброса на крыше здания сравнивалось с методикой Никитина B.C. Погрешность счета составила 7,1%. Погрешность счета при сравнении с методикой, изложенной в ОНД-86 (прил.2, рекомендуемая часть), для этой задачи составила 8,8%. Погрешность счета для задачи, результат которой представлен на рис.6, составляет 12,5%. Необходимо заметить, что методика Никитина дает среднее значение концентрации примеси в заветренной циркуляционной зоне, а методика ОНД-86 определяет максимальное значение концентрации примеси и расстояние до точки, в которой это значение наблюдается. Предложенная нами методика расчета рассеивания примеси дает возможность определять значения концентраций в любой точке расчетной области.

Адекватность разработанной математической модели проверялась нами также при моделировании отдельных параметров потока. Так, например, моделирование распределения статического давления вокруг отдельно стоящего здания показало, что перед зданием в зоне подпора максимальное расчетное значение статического безразмерного давления (отношение местного давления к динамическому давлению в первичном потоке) составило 0,8. По данным Реттера, величина избыточного давления перед зданием составляет 0,6-0,8. По данным Скоррера - 0,65. Погрешность счета при этом составляет 0-^23%. Преимуществом разработанной методики является подробность получаемых результатов. Значения интересующего параметра можно получить в любой точке расчетной области. Это дает возможность применять разработанную методику исследования процесса рассеивания примесей в приземном слое атмосферы, учитывающую геометрические параметры и форму застройки, и построенный на ее основе программный комплекс для решения широкого класса инженерно- технических и архитектурно-планировочных задач (схема на рис.7).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований:

I. Разработаны:

- методика исследования процесса рассеивания газовых примесей от низких изотермических источников в приземном слое атмосферы, учитывающая геометрические параметры застройки прилегающей, к источнику выброса;

РАБОТА С ПОЛНЫМ МАССИВОМ ДАННЫХ

Ввод физических параметров среды

Постановка граничных условий

Задание начальных условий

Ввод габаритных размеров зданий застройки

X

Преобразование полученных результатов

РАСЧЕТ

аэродинамических

параметров: скорость потока,

давление, плотность, энергия

прогноз полей концентраций газовых примесей

X

графическое представление результатов расчета

РАБОТА С ВЫБОРОЧНЫМ МАССИВОМ ДАННЫХ

Выбор положения линии сечения графическое представление результата расчета локальной области

Ввод координат точек линии сечения

Выбор временных координат

РЕШЕНИЕ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

1

Определение Определение Выбор устройств

концентраций мест для изменения

примеси в воздухозабора циркуляционного

циркуляционных систем приточной режима вокруг

зонах вентиляции здании

РЕШЕНИЕ АРХИТЕКТУРНО-ШиНИРОВОМНЫХ ЗАДАЧ

Функциональное зонирование селитебной территории Объемно-пространственное решение здания Вертикальная планировка территории

Распечатка результатов расчета:

- векторные поля изменения скорости потока;

- векторные диаграммы - сечения изменения скорости потока;

- объемные диаграммы изменения градиента давления потока;

- объемные диаграммы распределения относительной

концентрации примеси вокруг зданий застройки;

- вывод численных результатов параметров потока_

Рис.7

- математическая модель распределения газовых примесей в приземном слое атмосферы от низких изотермических источников на основе метода крупных частиц, которая учитывает геометрические параметры застройки, логарифмический профиль ветра, параметры газовоздушного потока несущего примеси (скорость, плотность, давление, энергию, плотность примеси);

- методика оценки предпроектного и проектируемого 'состояния качества атмосферного воздуха и аэрационного режима городских территорий различного функционального назначения. Критерием выбора проектного варианта при этом является степень снижения концентрации газовых примесей до нормативного уровня;

- метод расчета концентраций газовых примесей в приземном слое атмосферы на застроенной зданиями территории;

П. Получено:

- численная реализация математической модели явления на ПК в форме программного комплекса, который позволяет решать пользователю как инженерно-технические задачи, так и градостроительные с точки зрения городской экологии.

III. Результаты работы внедрены:

- при проектировании объектов индивидуального строительства на ул.Доватора в г.Ростове-на-Дону; жилых домов в пос.Донской Новочеркасской ГРЭС и пос.Солнечнодольск Ставропольской ГРЭС;

- в учебный процесс по кафедрам ОТОС и «Архитектуры и градостроительства» РГСУ.

- по результатам работы подготовлено и издано учебное пособие «Загрязнение атмосферы населенных' пунктов»для студентов вузов специальности 330200 «Инженерная защита окружающей среды».

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Пушенко С.Л., Благородова Н.В. Использование градостроительных приемов в решении вопросов охраны атмосферы населенных мест // Экология города: Тезисы докл. III Международной конференции 19-21 октября 1994 г. - Ростов-на-Дону (Россия) - МБ (Сербия), 1995. - С.88-89.

2. Пушенко С.Л., Благородова Н.В. Использование математического моделирования при решении задач организации естественного проветривания застроенных территорий // Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций: Тезисы докл. Международной конференции 26-29 сентября 1995 г., часть 4. - Белгород, 1995. -С. 145-146.

3. Благородова Н.В., Пушенко С.Л. Применение метода крупных частиц для моделирования состояния воздушной среды населенных мест // Совершенствование технологических процессов пищевой промышленности и АПК: Тезисы докл. Российской научно-технической конференции. -Оренбург, 1996. - С. 173-175.

4. Благородова Н.В. Моделирование состояния воздушной среды на застроенных территориях II Материалы второй международной научной студенческой конференции "Город и экология". - Ростов н/Д: Рост. гос. экон. акад., 1996. -С.51.

5. Благородова Н.В., Пушенко С.Л. Исследование аэрации застроенной территории методом крупных частиц И Известия Академии промышленной экологии. - 1997, №1. - С.79-81.

6. Благородова Н.В. Использование метода крупных частиц при проектировании атмосферозащитных мероприятий в градостроительной практике // Тезисы докладов Юбилейного Международного симпозиума «Актуальные проблемы механики сплошных и сыпучих сред», Юбилейной VII Международной конференции «Метод крупных частиц: теория и приложения». -М., 1997. - С. 16.

7. Благородова Н.В. Моделирование параметров газовоздушного потока и диффузии загрязняющих веществ вблизи зданий / Депонир. ВИНИТИ №1531-В97 от 7.05.97.- 7 с.

8. Благородова Н.В., Пушенко С.Л. Прогноз и моделирование полей концентраций загрязняющих веществ вокруг зданий городской застройки // Тезисы докладов Российской научно-технической конференции "Сертификация и управление качеством экосистем на Южном Урале". -Оренбург, 1997.-С.77-78.

9. Благородова Н.В., Пушенко С.Л. Моделирование трансформации газовоздушного потока и диффузии примеси вблизи зданий II Известия Академии промышленной экологии. - 1997, №3. - С.72-75.

10. Благородова Н.В., Пушенко С.Л. Численное моделирование диффузии загрязняющих веществ вблизи зданий городской застройки II Архитектурное наследие Юга России. - Ростов н/Д: РГСУ., 1997. - С.85-88.

11. Благородова Н.В., Пушенко С.Л. Использование численных методов при проектировании атмосферозащитных мероприятий в градостроительной практике II Материалы Международной научно-практической конференции: Тезисы докладов. - Ростов н/Д: РГСУ, ИИЭС, 1997. - С.72.

12. Благородова Н.В. Моделирование процесса аэрации на территории застройки // Материалы Международной научно-практической конференции: Тезисы докладов. - Ростов н/Д: РГСУ, ИСТиМ., 1997. - С.97.

13. Журавлев В.П., Пушенко СЛ., Благородова Н.В., Данельянц Д.С. Загрязнение атмосферы населенных пунктов: Учебное пособие. - Ростов н/Д: Рост. гос. строительный университет, 1997. - 189 с.

14. Благородова Н.В. Применение средств математического моделирования для прогноза загрязнения воздушной среды на застроенных территориях // Материалы международной научно-практической конференции «Строигельство-98»: Тезисы докладов. - Ростов н/Д, РГСУ, ИСТиМ, 1998. -С.198-199.

ЛР 020818 от 20.09.93. Подписано в печать 7.05.98. Формат б0x84Бумага белая. Ризограф. Уч.-изд. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ №_

Редакционно-издательский центр Ростовского государственного строительного университета. 344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162.