Введение к работе
Актуальность темы При проектировке жилых районов возможно рассмотрение нескольких задач выявление зависимости ветрового режима от рельефа местности и взаимного расположения зданий, выяснение влияния линейных источников загрязнений на экологическую ситуацию, определение конвективного теплообмена здания в зависимости от скорости набегающего потока Данные задачи можно рассматривать как на этапе проектировки жилых районов, так и при коррекции аэраци-онного режима средствами благоустройства
Натурные наблюдения за ветровыми режимами производились в течение многих лет экспедициями Главной геофизической обсерватории им А И Воейкова В работе Е Н Романовой были описаны результаты наблюдений для различных положительных форм рельефа Результаты обтекания отрицательных форм рельефа были опубликованы в работах В С Никитина, Н 3 Битколова, Н С Смирновой
Характер обтекания моделей зданий башенного типа при различных углах атаки подробно описан в работах Ф Л Серебровского, в результате были получены эмпирические формулы аэродинамических коэффициентов для различных частей здания Для моделей линейных зданий В В Батурину и В И Эльтерману удалось найти закономерность для аэродинамического коэффициента на крыше здания Распределение давлений по поверхностям куба и различных параллелепипедов описано в работе К Прандтля X Эванс проводил испытания длины зоны аэродинамической тени в зависимости от геометрических размеров параллелепипедов, по результатам которых Э И Реттер получил приближенную формулу
В работах Э И Реттера подробно описана аэродинамика различных компоновок зданий Изучено влияние взаимного расположения зданий на аэрационный режим Так, рассмотрено влияние угла атаки ветра и расстояния (отнесенного к высоте здания) между двумя одинаковыми параллельно расположенными линейными зданиями, приведены картины изотах относительных скоростей воздуха в горизонтальном сечении, приведены таблицы средних относительных скоростей в различных областях X Эвансом рассмотрены течения при различных углах атаки для сложных Т-, П- и Ш-образных зданий Результаты аэрации компоновок из нескольких зданий различных типов, расположенных под разными углами относительно друг друга, приводятся в работах А А Комарова, В А Хохлова, Ф Л Серебровского
Важнейшим средством благоустройства городской застройки являются зеленые насаждения Они обладают звукоизолирующим свойством, замедляют воздушные потоки, на них в значительной мере оседают различные вредные примеси от городских дорог и других источников загрязнений Результаты экспериментов с макетами зеленых насаждений изложены в работах Я А Смалько, С Д Соколова, А К Дюнина
Экспериментальный подход к решению задач аэрации городской застройки основан на продувке макетов застройки в аэродинамических трубах Однако проведение эксперимента сопряжено с различными трудностями (высокая стоимость, отсутствие экспериментальной базы, достаточно продолжительное время на постановку и проведение эксперимента), и, кроме того, зачастую не позволяет детально рассмотреть происходящие процессы Создание программно-инструментальных средств, включающих модули построения конечно-разностных сеток около изучаемых объектов, систему двух- и трехмерной визуализации, и использующих метод распараллеливания вычислительного процесса по пространству, позволит на основе
имеющихся входных данных о силе ветра, взаиморасположении зданий, средств благоустройства и рельефе местности в краткие сроки получить распределение физических параметров в исследуемой области В данном исследовании предлагаются подходы к проведению вычислительного эксперимента для решения указанных задач Актуальность проблемы заключается в разработке алгоритмов численного моделирования с использованием средств современной вычислительной техники
Объектом исследования являются пространственные турбулентные течения в условиях городской застройки, математическая модель пространственных турбулентных течений
Предметом исследования являются методика численного решения уравнений гидродинамики, программно-инструментальные средства моделирования пространственных турбулентных течений в зоне городской застройки, параллельные вычислительные алгоритмы расчета турбулентных течений
Цель работы состоит в получении научно-обоснованных решений, направленных на разработку теоретических и методических положений для исследования параметров пространственных турбулентных течений в условиях городской застройки с учетом рельефа местности, что обеспечит использование обоснованных рекомендаций по улучшению аэрационных режимов и экологической обстановки территорий с промышленной и гражданской застройкой
Для достижения поставленной цели рассматривались следующие задачи
создание проблемно-ориентированных программно-инструментальных средств, включающих реализацию алгоритма численного решения задачи пространственного турбулентного течения около поверхностей со сложной геометрией на параллельных вычислительных системах,
расчет параметров турбулентных течений в зоне городской застройки, исследование изменения параметров течения в зависимости от конфигурации и взаимного расположения зданий, вариантов расположения источников загрязнений и зеленых насаждений,
разработка и применение алгоритма, позволяющего распараллеливать процесс расчета параметров турбулентных течений для уменьшения астрономического времени, необходимого на расчет, с последующим анализом ускорения сходимости в зависимости от количества клиентских компьютеров
Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, вычислительной математики и технологии объектно-ориентированного программирования
Движение вязкого несжимаемого течения описывается системой уравнений гидродинамики Турбулентная вязкость моделируется при помощи однопараметри-ческой модели А Н Секундова Дифференциальные уравнения записаны для случая криволинейной системы координат общего вида и решаются полунеявным методом для уравнений, связанных через давление {SIMPLE) на криволинейной конечно-разностной сетке с заблокированными областями и логарифмическим сгущением, построенной при помощи комплексного метода граничных элементов
Программно-инструментальные средства реализованы на алгоритмическом языке- Object Pascal Интерфейс пользователя разработан в среде программирования Borland Delphi 5 0 Реализовано распараллеливание вычислительного алгоритма С этой целью программные средства делились на три составляющие - сервер, кли-
ентское приложение и приложение для построения конечно-разностных сеток Трехмерная визуализация осуществлялась на основе технологии OpenGL
Достоверность и обоснованность полученных результатов доказана сравнением с известными экспериментальными данными и вычислительными результатами других авторов, проверкой численных алгоритмов на решении тестовых задач
На защиту выносятся:
Математическая модель для решения задач гидродинамики турбулентных течений около криволинейных поверхностей с размещенными на них объектами
Проблемно-ориентированные программно-инструментальные средства моделирования трансформации воздушных турбулентных потоков около городских территорий
Результаты расчетов и исследование параметров турбулентных течений вблизи криволинейных поверхностей с размещенными на них объектами
Параллельный алгоритм решения задач гидродинамики на вычислительных средствах с распределенными вычислительными ресурсами
Научная новизна полученных результатов определяется впервые проведенными комплексными исследованиями, направленными на разработку алгоритмов и программных средств для моделирования пространственных турбулентных течений в областях городской застройки, в ходе которых.
с помощью среды визуального программирования Delphi5 0 разработаны программно-инструментальные средства расчета уравнений гидродинамики в криволинейных областях с возможностью определения различных параметров течений в расчетной области, среднеинтегральных и поверхностных характеристик объектов и групп объектов,
проведены расчеты параметров турбулентных течений около одного или группы объектов, исследования изменения параметров течения в зависимости от конфигурации и взаимного расположения объектов, вариантов расположения источников загрязнений и средств благоустройства, позволяющие в дальнейшем давать обоснованные рекомендации по улучшению аэрационных режимов и экологической обстановки в зонах городской застройки,
построена модульная архитектура программно-инструментальных средств аэрации городской застройки, упрощающая их настройку, модификацию и использование,
разработан алгоритм распараллеливания по пространству задачи моделирования трехмерных турбулентных течений, позволяющий сократить время на получение результатов с использованием локально-вычислительной сети и современных компьютерных средств,
на основе технологии OpenGL реализованы средства визуализации, позволяющие получить двух- и трехмерные картины течений около одиночных объектов и групп объектов с возможностью настройки параметров визуализации
Практическая полезность. Полученные результаты являются новыми и дают представление об аэрационных режимах зданий Разработанные методики и комплекс программ позволяют моделировать течения воздуха около зданий и детально исследовать особенности процесса в зависимости от параметров внешнего течения Работа выполнена по заданию Министерства образования и науки РФ в рамках НИР
l.l 1.05 Д- «Математическое моделирование пространственных турбулентных течений в областях со сложной геометрией».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на российских и международных научно-технических конференциях И конгрессах: 4й международной конференции «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон» (С.Петербург, 2002); The Vlll-th International symposium on integrated application of environmental and information technologies (Хабаровск, 2002);научно-практической конференции «Высокие технологии в механике» (Ижевск, 2002}; IV научно-технической конференции с международным участием «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2003); международной научной конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы механики» (Хабаровск, 2003); Научно-техническом форуме с международным участием «Высокие технологии-2004» (Ижевск, 2004); VI Международном конгрессе по математическому моделированию (Нижний Новгород, 2004); школе-конференции «Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники» (Чайковский, 2006).
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 15 научных работах, в том числе: 2 тезиса докладов, 13 статьей в журналах и сборниках. Автор имеет 3 научных труда s изданиях, выпускаемых в РФ и рекомендуемых ВАКом для публикации основных результатов диссертаций.
Структура и объем работы. Объем диссертации составляет 115 страниц, включая 78 рисунков. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 105 наименований.
