Введение к работе
Актуальность. Математическое моделирование течений в мелководных прибрежных системах очень востребовано на данный момент, поскольку в этих географических районах из-за интенсивного развития производительных сил и освоения природных ресурсов в совокупности с природно-климатическими воздействиями зачастую возникают проблемы антропогенного загрязнения. Поэтому большое значение приобретает прогноз ожидаемых изменений в гидрологическом режиме, происходящих в результате естественных процессов, а также деятельности человека.
Недостаточное научное обеспечение в области разработки гидродинамических комплексов предназначенных для исследования гидрологии в мелководных прибрежных системах, учитывающих модель параметризации коэффициента вертикального турбулентного обмена, выбранную на основе согласования с измеренными данными, а также недостаточный учет особенностей динамики в мелководных прибрежных системах, многообразия природных факторов и механизмов, характеризующих конкретные мелководные водоемы, приводит к ряду недостатков в практике исследований.
В мелководных прибрежных системах вертикальное турбулентное перемешивание под воздействием приливно-отливных течений, ветра и донного трения является определяющим во всех гидродинамических процессах. Однако на данный момент среди множества подходов нет определенной параметризации коэффициента вертикального турбулентного обмена для данного типа водоема. Это связано с тем, что в мелководных прибрежных системах турбулентное перемешивание охватывает всю толщу вод за счет наложения различных механизмов.
Проблема разработки и совершенствования научного обеспечения, предназначенного для мелководных прибрежных систем, с целью защиты природных вод от загрязнения на техногенно-нагруженных территориях, учитывающая особенности механизмов вертикального турбулентного обмена и позволяющая, прогнозировать уровень негативного воздействия природно-климатических и антропогенных воздействий и обеспечить условия для проведения эффективного восстановления экологически опасных территорий, является своевременной и актуальной.
Целью диссертационной работы является усовершенствование и разработка научного обеспечения на основе конкретных расчетов и сравнений с использованием экспериментально измеренных данных, предназначенного для исследования гидрологического режима в мелководных прибрежных системах. Решение данной проблемы связано с построением метода расчета коэффициента вертикального турбулентного обмена для мелководных водоемов, основывающемся на согласовании численных и экспериментальных подходов.
Таким образом, для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
– построена подсеточная модель турбулентного обмена по вертикали, базирующиеся на модели Д. Смагоринского, которая, в сравнении с использовавшимися ранее, более точно воспроизводит зависимость коэффициента турбулентного обмена от вертикальной координаты для мелководных водоемов;
– проведено сравнение результатов численного эксперимента по определению профиля коэффициента вертикального турбулентного обмена с данными натурных измерений;
– выполнено усовершенствование комплекса программ AZOV3D, разработанного в ТТИ ЮФУ, для расчета течений в мелководных водоемах;
– проведено сравнение профилей коэффициента вертикального турбулентного обмена, полученных численно в AZOV3D с данными натурных измерений, а также выполнен анализ полученных картин течений;
– разработанная и верифицированная подсеточная модель турбулентного обмена программно реализована в комплексе программ MARS3D;
– выполнено сравнение распределений трехмерного вектора скоростей течений, полученных численно в усовершенствованном программном комплексе MARS3D с полученными в ходе экспедиции;
– разработана и исследована модель турбулентного обмена в придонном слое, позволяющая более точно описывать турбулентный обмен вблизи дна в мелководных водоемах при наличии донной растительности;
– проведено исследование факторов, обуславливающих деградацию донной растительности в лагуне Этан де Бер.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы элементы теории вероятностей и математической статистики, а также численные методы для решения дискретных конечно-разностных уравнений, методы дифференциальных уравнений. Экспериментальные исследования разработанных методов проводились на примерах реальных мелководных водоемов, таких как Азовское море и лагуна Этан де Бер.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, вытекает из:
– удовлетворительного согласования результатов, рассчитанных при численном моделировании, с имеющимися экспериментальными данными, полученными лично автором;
– использования сертифицированного оборудования и современного программного обеспечения для проведения экспериментальных исследований и численного моделирования;
Практическая значимость результатов исследования определяется возможностью применения построенных методов параметризации коэффициента вертикального турбулентного обмена при усовершенствовании комплексов программ MARS3D, ASOV3D и других, активно используемых для расчета гидродинамики мелководных водоемов с целью прогнозирования образования застойных зон и зон деградации придонной растительности.
Реализация и внедрение результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты приняты к использованию в проекте ARCUS-Russie “LAGUNA” по исследованию причин экологической катастрофы в лагуне Этан де Бер при международном Франко-Российском совместном сотрудничестве Научно-Исследовательского Цента Математического Моделирования Экологических Систем Юга России (НОЦ ММЭС Юга России) Таганрогского Технологического Института Южного Федерального Университета (ТТИ ЮФУ), а также лаборатории численного моделирования в механике сплошных сред Центральной Инженерной школы (M2P2/CNRS, группа исследователей под руководством проф. Б.РУ), при финансовой поддержке Французского правительства и L’Agence de l’Eau (№2010 0042). Также исследования процессов вертикального турбулентного обмена на основе сравнения с натурными данными были использованы в проекте разработки комплекса программ «Море» Южного научного центра Российской Академии наук. Помимо этого, результаты диссертации используются в учебном процессе на кафедре высшей математики Таганрогского технологического института Южного федерального университета в курсах «Численные методы в механике сплошных сред», «Современные проблемы прикладной математики».
Апробация работы. Материалы исследования докладывались и получили положительную оценку на студенческой научной конференции факультета механики и компьютерных наук ЮФУ в Ростове-на-Дону, на 19-м Международном конгрессе по механике сплошных сред CFM-2009 в Марселе (Франция), на 20-й Международной конференции по параллельному программированию динамики жидкости ParCFD-2008 в Лионе (Франция) и 22-й Международной конференции по параллельному программированию динамики жидкости ParCFD-2010 в Каошунг (Kaohsiung, Тайвань), а также на семинарах и профессорско-преподавательских конференциях ТТИ ЮФУ.
Публикации. По результатам исследований, проведённых в рамках темы диссертационной работы, опубликовано 12 печатных работ, из них 3 работы в изданиях, входящих в «Перечень ведущих научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации», утвержденный ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и приложений, заключения, библиографического списка, включающего 77 наименований. Основной текст работы изложен на 176 листах машинописного текста, содержит 65 рисунков, 2 таблицы.
