Исследование существования и единственности решения задачи переноса и диффузии аэрозольных частиц в атмосфере

  • № 1(7) 2017

Страницы: 

54

 – 

67

Язык: русский

Открыть файл статьи
Открыть страницу статьи в Интернет

Аннотация

Обсуждается решение задачи мониторинга и прогнозирования экологического состояния промышленных регионов, где имеет место нарушение баланса санитарной нормы окружающей среды вследствие большого количества выбросов вредных мелкодисперсных аэрозольных частиц и углекислых газов. Приведена математическая модель процесса переноса и диффузии загрязняющих веществ, выброшенных в окружающую среду из производственных объектов. Указаны основные параметры, которые играют существенную роль в процессе переноса и диффузии вредных веществ в атмосфере: скорость ветра и его направления; рельеф местности; коэффициент поглощения вредных аэрозольных мелкодисперсных частиц в атмосфере и т.д. Доказано существование единственности решения задачи переноса и диффузии аэрозольных частиц в атмосферу. С целью проведения вычислительного эксперимента на реальных данных для заданной территории и в текущий момент времени разработаны программные интерфейсы для коммуникации с геоинформационными и погодными веб-службами (Weather Underground, World Weather Online, OpenWeatherMap) и программные модули для создания рельефных карт различной степени детализации (SRTM). На основе реальных погодно-климатических факторов и с учетом орографии поверхности рассматриваемого региона проведены вычислительные эксперименты на ЭВМ, результаты которых приведены в виде двумерных и трехмерных графических объектов. Также приведены интерпретация результатов и выводы по проведенному исследованию в целом.

The article discusses the solution of the problem of monitoring and forecasting the environmental conditions of industrial regions, where the balance of the sanitary norms of the environment is broken by the large amounts of emission of fine aerosol particles and carbon dioxide. Mathematical model of the transfer and diffusion process of polluting substances, which are ejected into environment from manufacturing entities, is given. Main parameters, which play essential role in the process of transfer and diffusion of harmful substances in the atmosphere, are indicated: wind speed and its direction; relief of the land; coefficient of absorption of harmful fine aerosol particles in the atmosphere, etc. The existence of the uniqueness of the solution of the transfer and diffusion problem to the atmosphere is proved. By conducting the computational experiment in different data for the given area and at the current time, programming interfaces for communicating with web services of geo information and weather (Weather Underground, World Weather Online, OpenWeatherMap) and software modules for creation relief maps of different levels of detail (SRTM) are developed. Computational experiments on the computer are conducted based on the real weather and climatic factors and considering the surface orography of the concerned region, results of them are shown in the form of two and three dimensional graphical objects. Interpretation of the results and conclusions of provided research is also given.

Maqolada zararli kichik dispеrsiyali aerozol zarralari va karbonat angidrid gazlarining ko’p miqdorda tashlanishi natijasida atrof-muhit sanitar holatlari muvozanati buziladigan joylarda joylashgan sanoat hududlarini ekologik holatini bashoratlash va monitoring qilish masalasining yechilishi muhokama qilingan. Ishlab chiqarish ob`yеktlaridan atrofmuhitga tashlanayotgan ifloslantiruvchi moddalarning ko’chishi va diffuziyasi jarayonining matеmatik modеli kеltirilgan. Atmosfеrada zararli moddalarning ko’chishi va diffuziyasi jarayonida sеzilarli rol o’ynovchi asosiy paramеrtlar: shamol tеzligi va yo’nalishi; hudud rеlеfi; atmosfеraga kichik dispеrsiyali zararli zarralarning singish koeffitsiеnti va h.k.lar ko’rsatilgan. Atmosfеrada aerozol zarralarning ko’chishi va diffuziyasi masalasining yechimini mavjudligi va yagonaligi isbotlangan. Berilgan hudud va xozirgi joriy vaqtda real ma’lumotlar asosida hisoblash tajribalarini o’tkazish maqsadida geoinformatsion va ob-havo web-xizmatlari (Weather Underground, World Weather Online, OpenWeatherMap) bilan bog’lanish uchun dasturiy interfeys yaratilgan hamda turli darajadagi belgilangan relf haritasini (SRTM) yaratish uchun dasturiy modullar yaratilgan. Qaralayotgan hudud yuzasi orografiyasini inobatga olgan holda va real ob-havo iqlimi omillari asosida EHMda hisoblash tajribalari o’tkazilgan hamda natijalar ikki va uch o’lchovli grafik ob’yektlar ko’rinishda keltirilgan. Bulardan tashqari, hisoblash natijalari izohlangan va o’tkazilgan izlanishlarning to’liq xulosalari keltirilgan

Список использованных источников

  1. Штырева Н.В. Численная модель дальнего переноса загрязняющих веществ в атмосфере, реализованная на суперЭВМ CRAY Y-Y-MP8E // Труды Гидроменцентра РФ. – 2000. – Вып. 334. – С. 121-129.
  2.  Iversen T., Nordeng Т. Е. A numerical model suitable for the simulation of a broad class of circulation systems on the atmospheric mesoscale // Norwegian Institute for Air Research Techn. Rep. – 2001. – № 2. – Pp. 38-51.
  3.  Lange R. ADPIC - A three-dimensional particle-in-cell model for the dispersal of atmospheric pollutants and its comparison to regional tracer studies // Journal Applied Meteorology. –1978. – Vol. 17. – Pp. 320-329.
  4.  Pekar M. Regional model LPMOD and ASIMD. Algorithms, parameterization and results of application to PB and CD in Europe scale for 1990 : EMEP/MSC-E Report 9/96. – Moscow, 1996. – 78 p.
  5.  Заурбеков Н.С. Математическое моделирование антропогенной нагрузки атмосферного воздуха промышленных регионов при реальных климатических условиях: Дис…. докт. техн. наук. – Тараз, 2009. - 234 с.
  6.  Алборов И.В. , Алехин В.И., Вагин В.С. Математическое моделирование процесса переноса вредных веществ в условиях горного (городского) рельефа от импульсных источников // Горный информационно- аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2003. – № 11. – С. 1-3.
  7.  Паровик Р.И. Математическое моделирование процессов переноса радона в системе «грунт-атмосфера»: Дис. … канд. техн. наук. – Актюбе, 2009. – 134 с.
  8.  Паровик Р.И. Моделирование процессов переноса радона в средах с фрактальной структурой / Р.И. Паровик, Б.М. Шевцов // Математическое моделирование. - 2009. - Т. 21, № 8. - С. 30-36.
  9.  Паровик Р.И. Обобщенная одномерная модель массопереноса радона (ОА 222Rn) и его эксхаляция в приземный слой атмосферы / Р.И. Паровик, И.А. Ильин, П.П. Фирстов // Математическое моделирование. - 2007. - Т. 19, № 11. - С. 43-50.
  10.  Паровик Р.И. Математическая диффузионная модель массопереноса радона (ОА 222Rn) в грунте и его эксхаляции в приземном слое атмосферы / Р.И. Паровик, И.А. Ильин, П.П. Фирстов // Вестник КРАУНЦ. Серия «Науки о Земле». - 2006. - № 1, вып. 7. - С. 110-114.
  11.  Паровик Р.И. Модель массопереноса радона (ОА 22211п) в приземном слое атмосферы / Р.И. Паровик, И.А. Ильин, П.П. Фирстов // Вестник КРАУНЦ. Серия «Науки о Земле». - 2006. - № 2, вып. 8. - С. 128-133.
  12.  Паровик Р.И. Моделирование процессов переноса радона 22211п в средах с фрактальной структурой и его стока в приземный слой атмосферы // Вестник КРАУНЦ. Серия «Науки о Земле». - 2008. - № 1, вып. 12. - С. 188-193.
  13.  Паровик Р.И. Алгоритм расчета плотности потока радона с поверхности Земли / Р.И. Паровик, П.П. Фирстов // Вестник ТГУ. Серия «Математика и Механика». - 2008. - № 3 (4). - С. 96-102.
  14.  Паровик Р.И. Модель переноса радона (222Ип) в режиме супердиффузии во фрактальной среде / Р.И. Паровик, Б.М. Шевцов, П.П. Фирстов // Доклады Адыгской (Черкесской) Международной Академии наук. - 2008. - Т. 10, № 2. - С. 79-85.
  15.  Бузало Н.С. Математическое моделирование переноса примеси в мезометеорологическом пограничном слое атмосферы: Дис. … канд. техн. наук. - Новочеркасск, 2003. – 167 с.
  16.  Илюшин Б.Б. Моделирование турбулентного переноса импульса, тепла и вещества в пограничном слое атмосферы: Дис. … докт. техн. наук. – Новосибирск, 2003. - 198 с.
  17.  Eswaran V., Pope S.B. (1988) Direct numerical simulations of the turbulent mixing of a passive scalar // J.Phys.Fluids. - V. 31, № 3. - Рp. 506-520.
  18.  Galperin В., Kantha L.N., Hassid S., Rosati A. (1988) A quasi-equilibrium turbulent energy model for Geophysical flows // J. Atmos. Sci. - V. 45, № l. - Рp. 55-62.
  19.  Ilyushin B.B. Higher moment diffusion in stably stratified and swirled flows. In Closure strategies for turbulent and transitional flows. Ed. B.E.Launder & N.D.Sandham. Cambridge University Press 2001 (a). - Рp. 424-448.
  20.  Veeravalli S., Warhaft Z. Thermal dispersion from a line source in the shearless turbulence mixing layer // J.Fluid Mech. – 1990. - V. 216. - Рp. 35-70.
  21.  Пушилина Ю.Н. Совершенствование методов моделирования и мониторинга загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленного региона: Дис. … канд. техн. наук. - Тула, 2011. - 156 с.
  22.  Radkevich A.V, Bieliaiev M.M., Stepanenko O.O., Yakovlev S.O., Shaptala O.I., Lysniak V.M. Сalculation of air pollution in case of an accident based on the model convective and diffusion of the pollutant transfer // Springer Science & Business Media. – 2012. – 298 р.
  23.  Миненко А.А. Совершенствование методики оценки загрязнения почв горнопромышленного региона тяжелыми металлами: Дис. ... канд. техн. наук. - Тула, 2007. - 141 с.
  24.  Серёгина О.В. Оценка пылегазовых выбросов в атмосферу угольными шахтами и совершенствование отраслевой методики инвентаризации источников загрязнения: Дис. ... канд. техн. наук. - Тула, 2011. - 147 с.
  25.  Данилов Д.Е. Оценка экологического риска загрязнения атмосферного воздуха территорий техногенными выбросами: Дис. ... канд. техн. наук. – М., 2001. - 172 с.
  26.  Уалханова А.Т. Численное моделирование покомпонентного переноса вредных примесей в воздушном бассейне промышленного города: Автореферат дис. … магистра естественных наук. - 2012. – 18 с.
  27.  Соловьев Ю.И. Булыгин Ю.И., Корончик Д.А. Конечно-элементное моделирование процессов массопереноса загрязнений в производственной среде с учетом завихрений воздушных потоков // Вестник ДГТУ. - 2012. - № 6.
  28.  Месхи Б.Ч., Маслов Е.И., Соловьев А.Н., Булыгин Ю.И., Корончик Д.А. Математическое и экспериментальное моделирование процессов распространения оксидов углерода и избытков теплоты в газовоздушной среде помещения // Вестник ДГТУ. - 2011. - Т.11, № 6. - C. 862-874.
  29.  Ravshanov N., Shertaev M., Toshtemirova N. Mathematical Model for the Study and Forecast of the Concentration of Harmful Substances in the Atmosphere // American Journal of Modeling and Optimization. – 2015. – Vol. 3, № 2. – Pр. 35-39.
  30.  Sharipov D.K. Development of mathematical software aerosol transport and diffusion of the atmospheric emissions // European Applied Sciences. – 2013. –Vol. 1, № 1. – Pр. 233-240.
  31.  Равшанов Н., Шарипов Д.К. Модель и численный алгоритм для исследования процесса распространения вредных веществ в атмосфере // Актуальные вопросы технических наук: Материалы международной научной конференции. – Пермь, 2011. – С. 20-27.
  32.  Ravshanov N., Sharipov D. A physical splitting method for the solution of a problem of spread of harmful substances into the atmosphere // Intellectual Archive. – 2013. – Vol. 2, № 6. – Pр. 27-39.
  33.  Sharipov D.K., Toshtemirova N., Narzullayeva N. Numerical modeling of the spread of harmful substances in the atmosphere taking into account terrain // Problems of computational and applied mathematics. – Tashkent, 2016. – № 1. – Pp. 60-71. – http://goo.gl/CPgK9L.
  34.  Ravshanov N., Sharipov D., Muradov F. Computational experiment for forecasting and monitoring the environmental condition of industrial regions // Theoretical & Applied Science : International Scientific Journal. – 2016. – Vol. 35. – Issue 3. – Pp. 132-139. – Doi: http://dx.doi.org/10.15863/TAS.2016.03.35.22
  35.  Sharipov D. A Mathematical Model and Computational Experiment for the Study and Forecast of the Concentration of Harmful Substances in the Atmosphere // American Journal of Computation, Communication and Control. – 2016. – № 2(6). – Pp. 48-54.

Список всех публикаций, цитирующих данную статью