Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Упрощенные интегральные модели для оперативной оценки загязненности атмосферы городов в промышленных зонах

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Упрощенные интегральные модели для оперативной оценки загязненности атмосферы городов в промышленных зонах"

РОССИЙСКИЙ ГОСЯДйРСТВЕНННИ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Аль-Йаусаве И.Б.

Упрощенные интегральный модели для оперативной оценки загрязненности атносфпрн городов н промышленных зон.

Специальность 11.00.09 - метеорология, климатология,

агрометеорология.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание цченой степени кандидата физико^- иатенатических наук

РГБ ОД

Санчт-Пст?ГбЬ'рг 1334

Работа выполнена на кафедре зкспереыентальной физики атыосферИ Российского Государственного Гидроиетерологического Института.

Научный руководитель- кандидат физико-ыатеиатических наук, доцент й.Д.Кузнецов.

Научный консультант - кандидат физико-ыатематических наук, доцент З.Л.Потааник.

Официальные оппоненты-доктор ©изико-штенатических наук, доцент С.А.Солдатенко, кандидат физиио-ыатеиатических наук, с.н.с, Л.П. Бобылев.

Ведццая организаций - Главная геофизическая обсерватория и«. Воейкова й.{1.

Защита диссертации состоится "3 " ниня 1394г. в 1Ц часов

на- -заседании Специализированного Совета при Российской

Государственной Гидрометеорологическом институте по адресу: .195196, г.Санкт-Петербург, Иалоохтйнский пр.,98.

С диссертацией ыоено ознакомиться в библиотеке Российского Государственного Гидроиетеорологического института,

Автореферат разослан "23" # 1394г.

Нченый секретарь

специализированного Совета РГГМН^ канд.физ-кат.наук,доцент

В.Д.Еникеепа

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ«.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕИН. В условиях научно-технической революции и бурного индустриального развития многих государств нагаей планеты возрастают масштабы антропогенного воздействия, на природу. Наибольшие антропогенные нагрузки за счет загрязнения токсичными веществами биосфера испытывает прежде всего, на локальном и региональном уровне. Локальные загрязнения в результате промышленных выбросов по многих городах мира давно превзошли предельно допустимые санитарные нормы. Аналогичные последствия возникли? при интенсивной разработке полезных ископаемых, которые ведут к эрозии и загрязнению болызих регионов. Необходимость защиты окружапцей сред« славит перед наукой задачу изучения быстро растущих воздействий человеческой деятельности на биосферу, анализа их положительных и отрицательных последствий, оценки возможности оптимизация этих воздействий. Для успешного ревения этой ваз-нейией задачи необходима разработка и внедрение в практику методов научно,обоснованного природопользования, прогноза неяе-лателышх изменений в природной среде, обоснования необходимых мероприятий, позволяющих их избегать, непрерывного совериенглвг-вания стратегии природопользования для преодоления негативных последствий в различных регионах.

Исходным моментом является исследование процесса загрязнения окруяагцей среди С ОС) выбросами отходов проиниломннх предприятий и разработка математических моделей природно - хозяйственных систем ( ПК ) различного паситпба. До последнего времени развивались два крайних вида в ¡'возмояном спектре аналитических и численных моделей переноса загрязпяищих веществ в локальных и региональных областях:

а) предельно простые, ичогацие прикладной инженерный характер модели воздухообмена ПХС, которые не позволяют' учесть достаточно точно пагнейппе факторы, в линючие на воздухообмен г кетеорологичег.кир условия;

б) очень сложные численные гидротсрмодинамические модели переноса примесей в локальных областях с произвольной геометрией, для использования которых требуется высокое качество входной «¡'формации, ЗПМ больной чорушети. высока« пвалифякпцчч специалистов, попровоздагзих пря-ранкн моделей. Ree зто ограничивает возможность мриксчснкя програкч, реализупиих подобные модели, К я у Раядпй ПХС. ост-гтячч ич лишь в руках разработчиков'.

В последние годи в связи с массовым внедрением в инженернци практики высокопроизводительных персональных ЭВМ возникли благо' приятные возможности для создания штекерных методов н моделей нового поколения. Их основные свойства - удобство, простота в реализации, оперативность использования при достаточной точности формулировки.

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РПБОТН явилась формулировка оперативных математических моделей среднего уровня слокиисти для задач охраны окружающей среды в областях локального масштаба и произвольной геометрии - открытых горних разработок С ОГР ), в областях мезо - ( город ) и регионального С территориально -производственные комплексы ) масштаба, ориентированных на ПЭВМ, с поиоцьп которых ыошно было бы найти решение многих задач, связанных с загрязнением конкретных ПХС. Такие подели иогли бы слувить научной основой для ' улучшения методики прогноза состояния загрязненности указанных объектов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертации заключается в следующем:

- предложен ыетод построения нульмерных моделей прогноза состояния загрязненности атмосферы достаточно произвольных природно -хозяйственных объектов (города, промышленного региона, карьера и т.д.),основанный на использовании уравнения интегрального баланса загрязнений для всего объема выбранной области интегрирования. Выбранний ыетод позволяет "сохранить память" о трехмерности процессов переноса и трансформации полей загрязнений, а такве восстановить распределение этих полей с помощью заданных формул;

- на базе предложенного метода разработаны две нульмерные нестационарные модели накопления и рассеяния ЗВ с учетом действия промышленных и автотранспортных источников загрязнений и вентиляционных устройств различного типа;

- нульмерная модель воздухообмена карьеров дополнена блоком описания двухфазных неизотермических вентиляционных струй, развивающихся в атмосфере при различных метеорологических условиях;

- выполнена алгоритмическая и программная реализация названных моделей, позволяющая осуществлять оперативные расчеты на ПЭВМ средней мощности ( типа 1ВМ РС/ПТ-,"!8В,ЗП6 );

- с помощью построенных моделей исследовано совместное влияние на процессы рассеяния ЗВ в ОГР основных, наиболее ватных метеорологических, геометрических и технологических параметр.«.

- виполнени расчеты загрязнения нескольких городов с учетом действия реальных прмнмешшх источников внбрпг.оп ЗВ. метеорологических и физико-географических характеристик региона;

- оценена эффективность средств искусственной вентиляции, деАствулщих в карьере;

- выполнена систематические расчета основнчх параметров вентиляциошшх струй, генерируемых разлнчннни суцествуящими вентиляторами для разных метеоусловий,

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦТчШШГ.ТЬ. Выполненная работа имеет практическую направленность, поскольку разработанные автором математические подели могут быть пригодны для прикладник инженерных расчетов и непосредственно использован« при ранении г;а:ных для практики проблем Н&КОП л епйя и рассеяния ЗГ1 в различных ПХП. Развитые модели позволяет в оперативной режиме получать прогноз интенг.ип-иости любых загрязнений в интересуй?,ей области в зазь.синогти от ее размеров, метеоусловий, мощностей источников токсичных веществ и т.д.. Разработанные модели, реллизоплнче на ЮВ", могут бить использованы многочисленными потребителями, что связано с их простотой и доступностью получения входных дашнг-'. Полученные количественные результаты ногут йть использованы при оценки эффективности прлнимаеких резений и разработке мероприятий по обеспеченна чистоты окрумряей среди объектов.

1'Я ?А"ИТ!1 РШШСЯТСЯ следующие нолояения диссертации :

- две нульнернне мптечатическир модели процессов перенос? загрязиящих пецсств ( ЗВ |> в областях покапыюго, чеэо - и регионального наевтайов и модель орнтилянипшшх двухфазных неизотерикческих турбулякпшх струй;

численные алгоритм» и программы их реализации; результаты исследований на основе этих моделей процессов накопления и рассеяния ЛП в природно - хозяйственных системах различного типа.

АПРОБАЦИЯ РАБОТ!!. Осповииг результата диссертации докладнвались на ¡мучном семинаре каОедры и на итоговой сессии Зченогп совета РГГМИ в !ЗЧ4г.

ПУГм1И!<А1^й. По материалам диссертации опубликовано 4 работы.

СТРУКТУРА И ОБЪЕИ ДИССЕРТАЦИЯ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и прилсишшя. Объеи диссертации составляет ..LQib. машинописных страниц основного текста, .Я5Т.. рисунков, . .($.0.. таблиц. Список литературы содервит .8\>.. наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

ВО ВВЕДЕНИИ обосновывается актуальность теиы диссертации, формулируется цель и основные задачи исследований. Перечислены полоаеиия,' выносимне на защиту, определены научная и практическая ценность работы, ее новизна, кратко излокено содержание диссертации.

ПЕРВАЯ ГЛАВА посвяпена описанию ыатеыатической формулировки интегральной модели сверхкраткосрочного прогноза состояния загрязненности атиосферы больиого города. В разделе 1.1 дается краткая характеристика особенностей процесса загрязнения городов, определяемых климатическими, метеорологическими и иными условиями, возникающими в этих областях (в частности, влиянием "острова тепла", способствующего образовании над городов "иапки загрязнений"). Дается обоснование выбора простой с точки зрения пространственной детализации нульыерной модели. Формулируемой •для описаний рассеяния ЗВ в промышленной центре (городе), иняе-нерного класса сложности и высокого уровня оперативности. В разделе 1.2 приводятся основные допущения, заложенные в нульмерной модель, и идеи ее реализации. Идея построения таких моделей, математически выражаемых обыкновенный дифференциальный уравненной интегрального баланса, основывается ira использовании пространственного С трехмерного ) нестационарного уравнения диффузии, записанного с учетом граничных условий и включающего основные физические процессы, определяющие рассеяние ЗВ, и его последующего интегрирования по объему заданной области. Реализация этой идеи позволяет учесть "память" о трехмерности диффузионных процессов и граничные условия но всех границах области, описывающие взаимодействие выделенного природного объекта с окццкакпцей средой, Ппггрпншкг со тлцп« принципе нудьнериае модели шм'-шнгсг/Т'-я . (¡»лее богатыми по стаи у физическому

СОД1!|>»';НИЯ, ''t'V цу.пыдррщ.т- ц которых ИЗМПЧЗЛЬНП

mirmoi tVf мр-тебгнм'.»!t про.' rjoiin r>;.!MH.iVH дртл.па*н системы.

Уравнений интегрального баланса ЗН определяется для ■области -Л в виде параллелепипеда с линейными размерами Ы, Ьу, и боковой поверхностьи Явок, ось Ч которого направлена по векторц ветра в нижнем слое.

Исходное трехмерное диффузионное уравнение распространения в атмосфере города, региона и т.д. концентрации ¡-й примеси имеет вид : . . .» " . „

= <Ну сг£-6"сцм СЧ «v, где цЧ уегал Г,1"- УСЧУд КГЧП)

- вектор плотности суммарного потока ЗВ (адвективного, диффузионного и седиментациснного). В уравнении (1) ГЛ(х,у,г ДНит/н* 1- объемная концентрация газообразной или аярозольной компоненты при«еси; !! , й - компонента вектора скорости течения воздуха вдоль осей х, у, г или единичных ортов ¡, ¡, к декартовой системы координат ; ^х, $7. - коэффициенты горизонтальной или вертикальной турбулентной диффузии; Уд - абсолютная величина направленной вниз седичентационной скорости частиц аэрозоля;

бтум (х,у,гД) = ¿>'распад. + Б вымыв. + б'х.р. +... ^ 0 -

- суммарный объемный коэффициент поглощения примеси за счет ее распада, вымывания путем захвата каплями дпядя ИЛИ' тумана возможных химических реакций с другими Зй С] и т.д. ; ЦуСх,у,гДНкг/м*с1 - удельные объемные мощности источников 1-й примеси. Граничные условия для поля С^Сх.у.гД) задаются в виде:

СЧх.у.гД = С'фхСу.гД); С' С х,у,г Д = СЧу(х,?,и;(2) „л„ С1ф(х.уДг.П; (3)

Ь. + и'й С.Ч _р'(х,у) Г.Ч а'й Сх.уД) при г = -7о, (41

где П'фхГу.гД), ГьфуСх,7.Д) - ладанные Функции, характеризующие распределения фоновых значений концентрации 1-го вецества; _р'(х,у) 0 - скорость осаждения Св простейшем случае, кусочно -постоянная функция), характеризующая взаимодействие ¡-й примеси с различными типами подстилавших поверхностей; Чк,у,"V - плотность распределения удельных ноцногтей поверхностных источников ЗВ; 7.о - параметр шероховатости подстилающей поверхности.

Иачальа«»' дслович для п>,лч концентрации 1-й примеси задается

в обцеы виде :

C£(x,i'.z,t)jUo = 4>j (x.y.z). ' (5)

что позволяет производить расчет, начиная с либого задаваемого иоыента времени tn.

После интегрирования исходного диффузионного уравнения (1) по области SI с учетом краевых условий и использования формулы Гаусса-Остроградского

JJ diV ц' п1п ds, где q'n -Cq'.n). IT - единичный

{Sil

вектор вневний нормали к точкам поверхности S, получии :

dNVWi^ 3W(t) + 3i^J(t) + __ p^rj!(U , 8tTja(t), (G)

где M'ft) = JjJ С6 (x.y.z.t,) dXI- суммарное количество принеси в

рассматриваемой области;

У,к (t) = -ff ds,

tS5 ■

3;'$4u = -§ СЧ0С.П) rfs,

!S>

З*"3 (t) = ^ЙС EradC.it) ds - конвективный, седиментационный csi

и диффузионный интегральные потоки ЗВ через границы области SL ;

0(!уы Ct) = J1J öv Cx,y,z,t,) (1Л- ¿jQii'ct) Г кг/с]- суммарная (Ä) . ■ "1 = 1

мощность источников i-й принеси, которые располовены внутри области£1 ; Uv - число объемных источников;

Pnoni(t) - Jfilx.y.zД) C^x.if.z.t) d& (ft)

характеризует сукиарное погловение ЗВ во всем объеме!! . Уравнение (0) выражает скорость изменения массы К* i-ft нриысси, непрерывно распределенной и объеме Л- , за счет работы источников, поглощения в объеме, поступления пли уноса ЗВ путем конвекции, диффузии, седиментации через поверхность S, ограничивающую область -Л от окрумяцей среде , лнглочвнн« подстилавшей поверхностью и т.д.. Явольцн? М1, (I) <«вигит от ориентации вектора ветра к граничит поверхностей и наличия фонового распределит» ЗВ чо пределами • чпласти ш;тп рированич. Предложенная модель в качестве гвшги пуцогтвеньогь момента сод"рч!'[ процедуру ,;та 1м.-)и1!ин |К1.:щ.*лга* ни.4 ноля коицеырации

- о -

внутри области интегрирования, что позволяет получить аппрокси-- мациошшс формулы для всех слагаемых уравнения сп). Используя идея задания определенного аналитического вида распределения поля СМх.улД). содержащего линь одну менявчуися во времени величину (например, значение концентрации п точке .максимум.'! поля С*-я,о(Ъ1, который, но предположения, расположен нл поверхности земли и имеет горизонтальные координаты Хп, 7л), поят осуществить переход от" общего уравнения интегрального баланса Г8), к обыкновенному дифференциальному для Функции С п. о (I), 3 разделе 1.3 описнпаптся использованные предположения о типах распределений поля СЧх.у.гД) по вертикали и горизонтали к грянин<"! области итогриронания, впзнпзнаг виды которых задается на основе известных данных натурныч измерений.

Обча» структуру зависимости П'Сх.^.г.Ь5 пррдст.-шин в. виде пр О И ч вед а П И1 ф 1|НВ1[ ий

^(х.у.г.и - С1-ч.о(1) . С,¿(7.) . г/Чх.у). . П)

где С переменнов во вргиенй чи*Ч№Ш<> функции С'(х,у,7.,1)

при 7,-П и Х-Хч, У-7з; '¿е>,"~> - .чоординатц точки максимума в поло нонпонтрацки. Принчтио Р'чрилнтн злдання фикции г^ Нг х 5 {?4г у > позиолчкт описать ^кспоь'енциаль-шЛ спад интенсивное гн Л Р. от тл

рэксетуча в пол;: лрисссч.и раидо;:." 1." прог.адитс.ч д.иьнс'.гач дптпяизлци« аряг,иечия г!5) г. репользовоийг;; прин.лкч двух парили-«-»иплитйчсг.чдк кнрагзпяб дл; описание простране гг.лннаго растр» драная коля приаоси '"/'(>;, ^,7.,',">, Пакпдчтсл предг-авяейич втдздмтх ч;рчо1 зр.дг.;ь:яия (Я). Злдазтсз степени»« и яоглр?.;.,<и-

'¡мрНПИИПСТЙ ДЛЧ ПрОфИЛЗ СКОрОСЫ КО ВХОДНЫХ Гр.5Н'.1ЦПп

•»Лщсп». Причинавгся опрел<>дв1||ше зппнспиостк для ко$з$ицивпта тир.1цл«ч1Т1К<ста, ¡'о-з.-оядяине охватит!) единой формулой случаи у.-т г,йчиг.;;;; и неустойчивых герччческих г:трати£и:-;ацнА ат-гогферч; грптвртгтиджри внразенме является обожание»

Лпр^у:: ''ппкцинпа И Р(.Г С б И - ^ОНТГОМГ.ри. ГЬлуЧОКНОй Г<

Дь-н.... .-¡.1 гпч-;оядк:>л чрео'р.'пл^лпч-"' «ч^гч^ьна'"

УГ"',Г'П.";!!'."- РуЛЬмГ'.-'.П.'!? -ПД1-ЛИ ЧрСДС ГЛ."-1.«ЛГ СиПчЙ оЗпКПнПРНм.Н-

диЗОррглщк.ип.но? урльщ-низ ингегр.1Л1?його баланса вида

- - --!/,(!.) + 1<ПрИХС1п). • (и)

г, "г,т,-,п,1\( Нг^г^ЧИСИТН 1?р(1п), Кир ИХ'. 1.|| * ГЛ«ЯЧКМ обрПЗРК г.,:,Т|-ч чгр''"' г.,-: .'<>''ДНЧГ* ПарГ.НР три "1Г,.Г'.'-;)ЧИТ»»,тзТ Г-ГР

^ффг-ктц, котплйг. г.чяч 1ц.рдгтаг.л«>ин г, игхчдчпч «"«'-ФФу-

зионнои уравнении (1). Эти коэффициенты предполагается кусочно -постоянными на определенной временной интервале = Начальные условия для уравнения (8) при получении решения на интервале йЬп+1 имеет вид:

С а о С Ь Э = йоап) при I - 1п. (9)

Аналитическое решение задачи (В). С9) иояно получить в виде :

« (I) = скос 1'ф) Л«*»* ♦ ]; (10)

Реиение (10) ыогно полагать справедливым на временной интервале ¿1ц+|, после чего для продолжения расчетов нужно заново вводить все кусочно - постоянные во времени входные данные. В заключительном .параграфе 5.3 главы 1 указывается на определенные ограничения модели, связанные с использованием определенных предполовений с симметрии пространственного распределения полей примесей в атмосфере города, выражаемой заданными формулами для функций У| (х), (У). Учет асимметрии требует использования более обцих зависимостей для этих функций. Однако применение развитой модели является целесообразный, поскольку, как показывают натурные исследования, "папка загрязнения" над городом наблюдается в широком диапазоне ветровых условий.

ВО ВТОРОЙ И ТРЕТЬЕЙ ГЛАВАХ диссертации описывается нульмерная „математическая нодоль процессов естественного и принудительного воздухообмена карьеров с произвольной геометрией полости, предназначенная для текущего оперативного прогноза состояния загряз-негшетн их аптсферц, Модель сформулирована в »аде двух блоков. Первый блок представляет собой обыкновенное дифференциальное уравнение баланса конвективно - диффузионного переноса примесей некди полостью карьера и окрувавцей средой, полученное методой интегрирований трехмерного нестационарного уравнения диффузия но объему области. Второй блок модели, основанный на системе о б к'кн ове иных дкффррешцйвлыгох уравнений гвдротеркодинаиичр-гких процессов в струе, позволяет описывать эволюции вентиляционных струй, коздаваеввх' в карьере вентиляторными установка««, Е главе Р. отгвваптся детали разработки первого блока од««». В разделе П.! указывается, что гидротпрнодипамнчепиио зяенпч? прпцоссп на открцтпх горних разработкам (ОГП «рл;!;;т> г о;; локальны"-; метспрплггпчегкчх «Ч'М'ог, представ ч -.их

' ге.: = ",'■ >:к - г ¡¡Г- (г\ г, 1-гг-л Не Г; г. I И 1

точки зрения сопутствующих им экологических проблем. Для процессов рассеяния загрязняющих веществ (ЗВ) в воздушюм бассейне произвольного карьера характерно взаимодействие большого количества естественных и антропогенных Факторов, поскольку эти процессы тесно связаны с динамическим, термическим^и влазностнык pesHMOtí карьера, геометрией полости и характером ее подстилавшей поверхности, химическим составом примесей и т.д.; Поэтому чрезвнчайно г.яозннн является рмение проблей прогноза состояния загрязненности атмосферы ' карьера с учетоа многочисленных источников ЗВ, расположенных в его полости, и оценки эффективности искусственных воздействий па эту атмосферу с поноцьга различных средств вентиляторной техники с целыз обеспечения ее чистоты. Разнообразие возмоаных типов моделей переноса примесей в карьере и окружающей его среде определяется различие» возникающих практических задач охпани чистоты атмосферы и часто взаимоисклпчап^ини требованиями, которые пни вндвпгапт перед исследователями и инженерами-проектировщиками и производственниками. С одной стороны, дня целей проектирования систем регулирования воздухообмена карьера с помочью средств вентиляции ватас удолетворепяе требований в точности ч детальности прогноза картины распределения ЗВ в объеме полости при разных метеорологических условиях. На время расчета при этой ограничения т накяадказЕТся. С другой сторон«, расчеты для ¡¡елей оперативного прогноза или анализа текущего состояния загрязненности воздушного бассейна карьера необходим проводить в метко ограниченный срок С15-20 минут) ценой определенного огрубления модели. К nos'..riej\ijí!H\j типу медалей относится и_ описываемая в главе? нулытернЛч модель процессов воздухообмена карьеров. Модель ориентирована на работу в оперативном резине, котя козкт йспользовлтся для анализа долгосрочных проектов. Ее преимущества, состояние п резком сокращении времени счета, ijíifnbsmnn: pfa.nr, пходнпй информации, бпльоой - гибкости при ад.-п-.-'Р'ч ;; ргальцочу гЗъсктд, не могли бнть достигнуты Поз .! час-, усреднения картины распределения Г nc.v.r ¡;; /ь.рьгра п килу заранее задгшои и ~ г-. Т.? --с ПС нецел, со "-¡¡зги* случаях

УД.'1-H'ie шуч-'ТЬ nrr,pi|¡ii';!;¡y:3 в пределах области ¡МНЦеятрЛЦ.««! r;p;.¡vcc.'!. ¡м*пр-с пз^'рсп с я сравнительно просто, поскольку

•inuñíu.r;.;;;:!:, д.,-,(.; гкисе дуталыых чодел^й oul.ch исходной

;; трслК'Чпг.ы ьс.Л'"1 примесей, псе равно не обеспечен.

Крои того, реальное поле загрязнений нередко мало изменяется в пределах определенного объема или вдоль некоторого направленна и, таким образом, мало отличается пт осредненного по нему распределения.

В разделе 2.2 приводятся детали формулировки уравнения интегрального баланса, которое получается тем кг методоы интегрирования трехмерного уравнения диффузии по объему области, который был описан выше. Ято уравнение определяется для области, представляющей полость карьера достаточно •произвольной формы. Область интегрирования Л. ограничена боковой поверхность!! карьера, вклвчдищий его шшнее основание (дно), и верхним сечением $вс на высоте г-'агл, где Ьгл - заданная глубина полости. За счет изменения формы области интегрирования ( наличия, в частности, криволинейной геометрии подстилающей поверхности ) методика получения эволюционного уравнения для функции йш(1) усложняется и 'отличается от описанного выше метода, справедливого для области типа параллелепипеда. Однако эти отличия не являются принципиальными. Отметим линь, что в этой модели делается попытка учесть возможную структуру течений в полости карьера, точнее, значения вертикальной компоненты и[2=?1гл вектора скорости .таких течений, возникавших при

естественном воздухообмене, на верхнем срезе карьера. Эти скорости на различных участках верхнего сечения карьера 5вс когут 'принимать полоЕителыше и отрицательно значения, споспбствуи'дне выносу или вноси ЗВ в полость карьера. Кроне того, необходимо учесть положительные значения направленной вверх вертикальной кошюксни: скорости ьозникпзцих в карьер? течений струй, создаваемых вентиляционными установками. и достигавши; высоты верхнего сечения карьера. Соответствуй.:^.',! каОоьацкя иогет бнть получена на основе обработки результатов патурннх наблюдений или численных расчетов пространственных гидродинамических задач /?ор;/ировашьт течений п карьеря с учетом от конкретной гео кетрии и кнтеорологических условий, а такье из расчетов характеристик вентиляционннх струй, полученных с помоцыл "струйншго" блока подели.

П заключительной части раздеи 2.? приводите^ вид, полученного с результате: ряда лрспСрпЭожп»:^ щмьипшя инт^грапшого б<-шш<:<> (ТШМ уравнения (Й)) 1!ПЙ,Ш скорое ГЬЬ рСм-ТП ИЛИ 1!И1,НЬ'.ТШ>>' ПОЛНсй ¡1-ЧГ1 I; ",]?. в о(Г|.!;уклрьерл к интггрл;ь;|»'{и ПОТ");«"!»;; при*, ЧерГ'З ••! г Гр.1,:'-!|>|-' •" !1 ь:!'0» ТОЧЕЧНЫХ ¡Н,П1;.|ДГ^Х ИСТОЧНЧГин ,

учитывающих выделение ЗВ за счет взметывания пыли, работы автотранспорта, технологического оборудования и т.д., и стоков, определявших объемное и поверхностное поглощение загрязнений за счет их вымывания, сухого осаждения и пр.

В разделе 2.3 рассмотрены некоторые вопроси, связанные с описанием геометрии полости карьера. Известно, что геометрии полостей реальных карьеров представляет собой в обцем случае сложные топографические поверхности, которые только в частных случаях наличия каких - либо симметрии формы могут бить описаны аналитически. Указывайте» различные методы получения соответствующих функций. Приводится детальный вывод одной из таких формул для случая осевой симметрии полости (представлявшей собой тело врлценил), позволяющей варьировать определявшие параметры геометрии карьера на разных этапах его эволюции (глу-баив, разнос бортов и т.д.) и обеспечивавшей резкое уменьшение количества входных параметров н, тен самым, дпроценио подготовки входных данных. Соответствующая Формула имеет вид :

{Ьгл при х«- х, £ 1хч-х)г * (уц-у)1^ щ;

'пгул111 с о я } сЬ( я 1 в |) I п ри уц -хг -х 'А (уц - у )*ч хч-х,

О при 0 £ ,/Тхц -х )*" + С -у )"'< х«- Хь, (11)

В формулах (11) фигурирует згдаваенме входные параметры: Ьгл -глубина карьера; Кпс=хд- Х| - радиус верхнего кругового сечгиия карьера; Кднп=ху- хг- радиус его пигнрго сечения (дна); хц, - координаты центра дна.

В следивших пунктах раздела 2.3 приводятся фс.ридли яла расчета несбхлдгн.'нх гтччелятрдмтнх параметров модели - плокади боковой поверхности 5бов и объема полости карьера 1!к. й ззклячитольцон пукяте раздела лается пбцнй метод описания геакптрии и вччнедепия параметров 5бок и для. карьера с произвольной грпийтркпй рпллстч, Описание произвольной реальной гдоиетрин бокпвпп поверхности попости карьера ыо>:ет быть осуществлено с пп'топьч япяльи« двухмерного числового массива 7Л )

значений гертнкальных координат рельефа, определенных в гоот;'ут'тьнн г, грпдг-.<нчегкьни карта;;« тяпогр.-.^ии горной р ; . '1чи зпач"пич :мд-:<''тсп для всех узлов сетки ();1,ур,

..I.(1 -■ гчг.."! р ] (■.||,р[11'т<ч1ЫЬ1Й плпеког.т'!, к.ц.а ге.яьноД к паверкпоп':' г,; ' ' ■. сч.-'Р. чГрг., > .-к, се ,* ч с ¡Ь, .'н-зова в: :М

координаты высот поверхности Ь(Х1,ур подвергается процедуре двухмерной сплайн-интерполяции с целью получения достаточно гладкой поверхности х-Ых,у) и одновременно для расчета значений ° производных и , вх0дя81их в

последующие вычислительные формулы. Для вычисления плоцади боковой поверхности полости $бок используются известные формулы дифференциальной геометрии, которые приводятся к приближенной конечно-разностной форые. Аналогично, объем полости карьера ик, определяемый двойным интегралом, рассчитывается с помо^ьи приближенной интегральной суммы.

В разделе 2.4 анализируются возыокные виды пространственных распределений поля концентрации Зй в объеме карьера, которые могут иметь разнит и весьиа сложнует структуру в зависимости от' геометрии карьера, метеорологических, технологических и иных условий. Предлагается упрощенная формула для усредненного описания реальных структур полей ЗВ типа "экспоненциального спада" от дна карьра к его поверхности, содержащая линь одну меняицупся по времени величину - значение П'воСП концентрации в точке максимума поля, расположенного, по предположению, на дне карьерной полости. !!а основе использования этой формули в последних пунктах главы ?. завершается переход от общего уравнения интегрального баланса обыкновенному

дифференциальному уравнению для функции С4во(1,Приводятся различные варианты аналитического решения .зтого линейного неоднородного уравнения первого порядка с порекгтшмн коэффициентами для описания яйолйции пп вречени функции П'шоМ,), полученные при использовании различных предположений.

Описанная нульмерная модель совместного естественного и принудительного воздухообмена карьеров, позволяет оперативно осуществлять расчеты процессов вентиляции с учетом «иогочислотшх кетпорологичсских, геонптричесцих, филпчаеккх и технологических параметров, опрпде.лягацих интенгинногть процессов накопления н рассеяния примесей п их объеме, Ягпбснкостьи сформулированной модели является ее "открытость" ;; учету нпннл физических эффектов, а такие к посрпдцйчи« ор<"5«р»йп<'.тг.пы.т»ям, которые являются естественными при построении норой нг.д»ли, Зти кпдчрниялции могут касаться более общего описан;«.- г(:о«>тр!'Л полостей карьере.« пппйзг.олч^го -тина, (V ; егп,'Флейцу,„ сшпаннчх с наличием круговой Лоле? ючнпх г;;• ■ .• г.бис

вычисления шкчодрй боковой 'попгрхногтч и иГч.гчл карьер*» и

т.д.. Информация о фигурирующих в уравнениях модели полях скорости на верхнем срезе карьера иояет быть, найдена, как говорилось выие, на основе натурных наблшдений или численны); расчетов структур течений с ноиоцьи более сложных трехмерных моделей. Кроме того, иогут использоваться поля скоростей, рассчитанные с помощью известных теоретических реыений о склоновых течениях, возникающих вблизи нагретых бортов, аналитических решений струйных задач, течений, возникающих от тепловых источников и т.д. Это позволяет использовать нульмерную модель для решения более ¡¡¡ирокого' круга ¡фактических задач.

В главе 3 описывается второй блок нульмерной модели процессов воздухообнена ■ карьеров, представляющий собой математическую модель вентиляционных струй, создаваемых о карьере различными типами существующих вентиляторов, с поыощьэ которых ногно осуществить искусственное проветриваний. Пнялизируштся возиоЕние методы и средства искусственных воздействий на атмосферу карьера с целыа интенсификаци его воздухообиена и снинения уровня загрязненности. Указывается, что достаточно эффективным и технически доступным средством принудительной вентиляции карьеров являются турбулентные струи, создаваемые вентиляционными установками. Приводится обзор типов суцествувцих вентиляторов и генерируелшх ими струй, отличппцпхся больший разнообразием: холодных и нагретых, высоко- •! кллоскоростных, сухих и увлажненных, чисто тепловых или езободпо-внпундешшх, развивавшихся при втиле или в спчслчея потоки под произвольный углом к горизонту н т.д.. делается вывод о необходимости построения достаточно общей модели трехнерпой стационарной ■ ¡¡«изотермической двухфазной (норогязокапельнпй) турбулентной струи, распространявшейся в атмосфере, произвольно стратифицированной по скорости и тс«псратире. йиаяизирзвтсз физические особенности процессов развития струйных течений разного типа и фпрмцлиривтса яоаичекиа, г.споямиеичо при построении уравнений недели. Дается обТ'Р рп:г-'0"'!п:х истодов получения уравнений струн, позволявших с ра;У1пГ1 степсньо точности описать ее развитие, и пПп1;!;ог:ггк:>уот' лсбпр мгпользур'ч.'х интгграпьмых квтодов.Сипттм !Ч''.",.:-::о!<"й 'Грчг пргдст-ле.'.'^тс.ч в виде двух блг,;;оо: а)

-чг,.-> г., г _ .ТК'ЛПОГЛ НраГнП'.ЧЧ ЗВОЛМЦИИ о ЗрПО Т рЛИСТВ С

;;; ......1: г сгг.рестч ч,V. з струе, ее гпагиторчч. радиуса

< ,1! 1-);.- 1 _ г ■.!,-;•.'.;■: Г; 1 ДЗ-Г-ч _ ЛЧрПчЧТ

тррмпрл.-мностного б пока, вклачаицего уравнение для температуры Т, относительной влажности Г и кассовой доли водности 41;.В обоих блоках учитнвавтся поля вектора скорости У0', температуры Т6^ давления Vй; массовых долей влажности пи00-« водности цы6* в окрумгвцей среде, заданных в виде достаточно произвольных функций внсотц 7 над подстилавшей поверхностью.

Исходное уравнение изменения иипульса секундной массы элемента струи находится па основе законов механики, сформулированных для систем переменного состава, учитывает,п Иапульс всех действующих сил, включая реактивнуи, связанную с вовлечением воздуха ПГ, в птрув. Приводятся внрагепи.ч для ятих сил - архимедовой (учнтнвлчцой влияние перегрева и увлажненности струн), силы аэродинамического давления внеэнего' потока, нагрузки струи водяными каплями. С учетом полученный Формулы для Функции 4 , характрризущчй относительное

изменение на длине (IВ массы струи за счет вовлечения, внписывантся уравнения динамического блока.

В разделе З.Я и последуг.цих пунктах дается вывод уравнений блока, описквавцего теп.човил к влавностнно процесс;-- р струе. Предварительно обеугдавтеч способы учета конденсационных эффектом в двухфазных (парогазпкапельных) струях, рпг.крогтрлняваихгя В двухфазной С в пбцем случае 1 ЯП, Дрлаетгд вывод о необходимости с целью упрощения зтих Эффектов использовать нредчолонение о различии двух резинов развития струи:

?,) ври развитии струи нчяе уровня кочденсац-'и (Г«' 1) сорнргти« рачаптса дифферент;.-.пьчкр уравнения дли температуры Т и ппк.св -тгльнлй влагнлетк Г в струе без учета кондйиглчич рор.»!»':.-« пара,

но с учете»« испарение впдчвых капель, и" ПП якггт,- с

воздухом; уравнение ДЛЯ водности Г-Ы рчракдаетг.г; к аЛГ'-брлниггк;''' соотношение пи-0;

б) второй ррЯИЧ соответствует развитии струи IJH.15.4P

конденсации, когда требуете? реичнче дифференциальных цраклрн«:; для Т и г]«, зг.чиглнччх в другой форме, и игппяк-.пв.ч'и« ■ ■пгб-рдйчесного тотиоиения Г-1, Зти $орм» урапцолчв Д"= Т, Г, цп кчкодятся на основ,- нр?диг.ло;;>:¡-;кя, что ое-: изй«.точ1Мв !">,'. вмсы-

ч'зи^ии зчачение-н ял,.кн0п<' "¡v кпндгч' иручт.-.с к гсоплп.

В разделе П.П даетгч онисяиив •■¡ффек".'. {шцльчгкис - одч'.гл и-»««не* факторов, •»чррделовк.их развитие- (труч. р.-.геи.-утрчялоп « Физические особенности двух основных и?хг«)«<-.»ч-.г- ялкмичц компенсационного и турбулентного, дашцчх г оизчяркшй як...ад в

опади относительную скорость вовлечения cjs(É). Дается обзор существующих теоретических .методов описания процесса вовлечения, приводятся функциональнее зависимости для коэффициента вовлечения Свовл, позволявши1; учесть влияние многих дополнительных факторов, определяемых параметрами струи и ОС. Приводится сводка различных Формул, внражавщих зависимость Свовл от локального числа Фруда (Рг)лок в текущем сечении струи. Анализ влияния зтих ¡¡костей в конкретных

расчетах-струй позволил внбрать п качестве рабочей ^орцулу Херста, пригодную для расчета течения во всей струе при наличии двизеиия в ПС, n»?»iU» вид:

^ («i -[! i« еЩиг)

где 1"м| и if*- значения скоростей в струе и ОС, B(t) - локальный

угол' наклона струя к пси х; al-0.0157, а2=;0,097. аЗ-П.О -эапиричйскир констан...

В разделе ЗЛО указывается, что для устранения трудности, связанной с нсобходивостьз использовать три набора систем диффе-реицнадьмях уравнений струи'с пространстврвчнни производят:« по х, ;í, ■/. в зйййсиностн от ориентации трпекто|.ии струп, цалесо-o6p«;-»('i лорн-орн»лнрг.г.кл уравнений с использованием .¡рпизмодвш! по времени d/til, "то позчо/яет получчть единую систему, прчне-гшьця но всех случаях. Соответствляп-зя окончательная форна тки?. йистрнн "рппириий ичост вид:

f-- dWft» - Я] * -l^'(^) +

+ /.Ту ) 0*"-ir) ./(«г*иг) . и !

як ( Wj '-ТЩ *

dt г L а (т74 1 k lit ^rHW* Щ tt dt ' asir

g. -FT1 А.

+ (<¡£(z) „pu■£ 7/ i ;

dT di

d2 Rd T°c (4 + О-.ЧУЛ l"^«)' '

рос J

В заключительных пунктах главы 3 дат г я некоторые явные выражения для функций иос(л}, Тве(7.) и т.д. и приводится реализованный метод численного ргиения уравнений, основанный на использовании сх^ц ЗЛлера и Ручге-Куттл четвертого г.орзцка точности (последняя - для расчета внгокоекпро! тчых и сильно перегретых струй). Дается алгоритм внчи^литш'внпгп процесса,

ПОЗ^'О ПЯЮЦИЙ г. лОВЧСИМОСТИ ОТ значений Г И '¡И ¡и'рРКЛЯЧПП.ГЧ <

использования одит п варианта гер»м*Л'-Ш1пстипгл йвокл на дрдгпв. , ■ Глава 4 посвящена реясви? »фикдздн«х с /¡..и.-цьр

•разработанных нпдр.прГ). Роздеч 4.1 п»смч«" кписаиир цп' леннкх аксперимяктов с яснопьзег.аннеч мад.-,.|и рпитчяяцалннчх. струй. Вначале расскатр^в-^тея чкечерииштн не. птйпру рабочей ^орчудч для коэффициента вовлечения, Г црдьи пр»к»»дгн« вгь.вненич

результатов расчетов траекторий струн и ра.-.гфеделений их

параметров вдоль оси для разных зависимостей для коэффициента вовлечения. Сравнение модели вовлечения было . проведено в иирокои диапазоне изменения начальных условий для струй, при их истечении в затопленное пространство и во внешний поток, при раздельном или совместном учете стратификации ОС по температуре и влажности. Сравнение полученных результатов с известными натурными данными и работами по струям ряда авторов позволило выбрать формулу Херста (1971) для Свовл, наилучиим образок учитывающий особенности процесса вовлечения для произвольных струй. Выполнены исследования особенностей процессов развития для ряда струй вынужденного, термического или свободно-вынувденТтго типа. Осуществлены систематические расчеты струйных течений -для существующих вентиляторов при варьировании в широкой диапазоне метеорологических условий. Приведены таблицы и графики, изображаете зависимости скорости, температуры, относительной платности, радиуса струй от расстояния вдоль траектории.

В разделе 4.2 рассьатривавтся численные эксперименты, вкполиенве при совместном использовании нульмерной модели воздухообмена карьеров и модели вентиляционных струй. Вначале описываются результаты моделирования процесса накопления ЗВ в карьере для определенных геометрических, технологических и метеорологических условий, близких к ртилевотг, для зимнего сезона. При отсутствии ветра и неработасцих вентиляторах вынос ЗВ из карьера происходит яивь за счет поглощения примеси земной поверхностью- и дпф.*,у-<ионпого выноса через верхнее сечение карьера. Дается физический анализ результатов моделирования, определится характерные рпенена -накопления 33 при различных стратификация-/ фоновой температуры в полости и над карьером, Описывается подготовка даььчх и расчет естественного цтдпуг, обмена ветров;.;?;!! потоками карьера типа Сибайскога. "сслелуится аекоторие сх^кч принудительной вентиляции для рр,'Л1-нчх условий СиЯайгпого карьер* при варьировании уровней р-чеполокения вентиляторов, наклона создаваемых ими струй, начальных перегревов. скоростей и т.д. при различных и'~тепус.лг^иях. Рлсгнатриваетгя отдельное и сояп.чупног ¡ьчиявне на состоя»"'1 загрязненности атмосферы карьеров естественного н прииуп1;тр пьного прргртриванпз. Приг.од<»тгч кривые ^водпцшв ¡г-'В'.ч'-'альгг-х ¡начпн;" полт концентрации принес.! при различных •.г.а-ч и« 1 !чн>п..т. " руугих ш.р .и.'троя, Г.Нфтк-.иууйт.-.ч

- го -

сравнительная • эффективность процессов проветривания или накопления ЗВ; сопоставление времен этих процессов позволяет судить о реальных воздухообменом* розно8ностях конкретных карьеров."

С разделе приводятся примеры моделирования процессов

трансформации ПВ для больяих промышленных центров (городов) г помочью соответствующей нульмерной модели. Пнализируится результаты численных экспериментов, позволяющие выявить зависимость уровней загрязненности города с заданными характеристиками от значений основных влиявдих параметров: скорости ветра, коэффициента турбулентности. термической стратификации, коэффициента поглощения па подстилавшей поверхности, мощности источников, скоростей седиментации и т.д.. Приведены графики соответствуя^их зависимостей и построены описчвашцие их. аналитические формулы. Весьма гибкое варьирование входных данных. обеспеченное в модели, позволяет ее настраивать на климатические, чегеорппотичегкие и хозяйственно-экономические характеристики любого конкретного Рромыкленнг.го объекта. Списаны выполненные с ньчо^ыо модели рагчктк ожидаемых состояний загрязненности для нескольких объектов при типичных метеоситу,>цвдх, »тиог^м'/сч к различны» сезонам ¡'прежде всего, к огрннп-зимнеку, как наиболее неблагоприятному г. точки зрения ваконяени- загрязнений). Использование менр-технологии позволяет из ингццепи ч иобир* входных д.шиих отбирать не обходимые ппр.»чотрч; рач--;!» расчетной области, скорости и илправлони« ветра, группы загрязнявчмч предприятий ч гпчгщ» примесей, ¡¡"бр^1"» которых надо учитывать и т.д.

Л заключении сфорцу тирован;.' основные р.-*ульт.1ти № гс-ргоц^и. !. Предложен метод построения нульмерных прогни'-.»

СОСТОЯНИЯ загрязненности атмосферы рачг.МЧПЫХ

[¡рИроДНО-ХП^ЯЙСТВР "НИХ 0б1>ГКТПВ. ОПЧИЛ ¡¡ЧЯЦИЙ '"сОХрЛНИИ. памать"

.о трехмерно! ти процессов нерекосо ЗП.

?.. Построган две нульмерные нег.тацилнлрнм«"' модели накопления и расгняяия П?) для обппенй лпказчтгп с"гр) ц к^т^с,;,

(город 1 С учетов огцпьны* <ИК7>.>рО~.; ХЧ«МЧ>ТК'И^'

реакций, вчмчв-ч'-п! < пелдкпав ( (•••даиечт;»ц«и врс л мл {5 |;р;.»-,?ги, взаимодействия ■'. ; г. дт >! .п Л с: г ц нпЬ'ЧрхпоцЬБ и Т.Д. 3. Га грабит ~<на матг-мат>;чегка-) нодсяь реьтипзцилше,» пруй, создаваемых радличныч" цстлиоиквии, котяр*г в совокушшгтч • г

нульмерной иодельв процессов воздухообмена карьеров позволяет оценивать эффективность средств искусственной вентиляции.

4. Осуществлена програииная реализация названных моделей, позволяющая на ПЭВМ средней мощности, осуществлять прогноз состояния загрязненности ОС на либой задаваемый срок вперед, вплоть до сезона.

5. Приведены примеры решения конкретных задач практики, демонстрирующие зирокие возможности использования разработанных моделей:

а) выполнены ыетодические расчеты струй с целью выбора наиболее адекватных функциональных зависимостей для коэффициентов вовлечения,

б) проведены систематические расчеты вентиляционных струй, создаваемых сдествцввдни установкам в иирокои диапазоне изменения метеопаране?ров,

в) исследовано раздельное и совместное влияние естественного и принудительного воздухообмена на состояние загрязненности атмосферы карьеров,

г) выполнены расчеты загрязнения города и региона.

Основное содержание диссертационной работы излоаено в публикациях:

!. Модель интегрального баланса для оценки воздухообмена карьеров.//РГГМИ, СПБ, 1934.-44с. Деп.в ВИНИТИ, 012-В-34 от 04.04.34 (в соавторстве с Гуровичеи Н.В., Кузнецовым А.Д., Лотанникон Э.Я.).

1. Интегральная модель сверхкраткосрочного прогноза состояния загрязненности атмосферы большого города.//РГГМИ, СПГ>, 1393,-?лс. Деп. в ВИНИТИ, 113-В34 от 14.01.34 (в соавторстве с Кузнецовым А.Л.. Поташником 3.Я,, Сиыакиным А.Д.'.

3. Пуйьнернне «одели прогноза загрязнения агыосферн.//Тезисы докладов на итоговой сессии Ученого Совета РГГМИ (г .СПб,3-10февр. 1334г.)- СПб: РГГМИ.1334, с.11-12 (в соавторстве с Кузнецовым Я.Д.. Потаыникон З.А., Симакиинм Й.Д.).

4. Трехмерны? модяпи процессов загрязнения атмосферы,// Тезисы докладов на итоговой сессии Ученого Совета РГГМИ (г,СПб, 3-!0ф'Ч!р. !334г. )-СПб: РГГМИ, 1334, с.П (в сп.,вторгтвс с Гуропичеч Кузнецовым А.Д., Поташником Я.П.).

АЛЬ-МАУСАВИ И.Б.

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать 20.05.94. Формат 60x84 1/16, Б.тип. № 2. Печ.л. Т,25. Б.л. 0,6. Тираж ТОО. Заказ 2Э5. РГП изд-ва СПбУЭФ.

Издательство Санкт-Петербургского университета экономики и финансов

191023, Санкт-Петербург, Садопая ул., д.21.