Введение к работе
Актуальность работы.
Рост автомобильного парка выдвинул автотранспорт на одно из первых мест среди источников загрязнения городского воздушного пространства. Загрязняющие вещества, поступающие в атмосферный воздух в составе отработанных газов автомобильного транспорта (оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота и углеводороды), являются опасными для жизнедеятельности человека, поэтому отслеживание их концентрации в атмосфере городских кварталов, исследование распределения, рассеяния и переноса загрязнителей над урбанизированной территорией – задача чрезвычайно важная и актуальная с точки зрения охраны окружающей среды. Изучение же механизмов переноса и рассеяния воздушным потоком весомого нагретого газа (отработанных газов автомобильного транспорта) в сложной пространственной области представляет большой интерес с точки зрения фундаментальных и теоретических исследований процессов механики жидкости и газа.
В настоящее время в исследованиях М.Г. Бояршинова, О.Д. Волковой, В.И. Таранкова, Ю.Г. Фельдмана, R. Sivacoumar, D.P. Chock, G.T. Csanady, P.E. Benson, W.B Peterson, A.K. Luhar, P.S. Kasibhatla, Y. Moriguchi и других авторов разработаны модели, с различной степенью достоверности описывающие перенос и рассеяние загрязняющих веществ от подвижных источников, в том числе над урбанизированной территорией. Однако, в них, как правило, не в полном объеме учитываются скорость и направление ветра, рассеяние и плавучесть газовоздушной смеси за счет диффузии, изменения плотности и температуры, рельеф местности, застройка территории зданиями и сооружениями, случайный характер появления автомобилей на транспортной магистрали и прочие факторы. Поэтому разработка методики исследования переноса и рассеяния атмосферным воздухом, распределения концентрации отработанных газов случайного потока автомобильного транспорта над городской территорией является актуальной.
Цель работы заключается в исследовании особенностей распределения концентрации отработанных газов случайного потока автомобильного транспорта над территорией городского квартала на основе компьютерной модели, описывающей перенос и рассеяние в сложной пространственной области газовой примеси, эмитированной подвижным точечным источником.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
-
На основе современных идей, представлений и подходов механики жидкости и газа обосновать и принять основные допущения и гипотезы, сформулировать математическую постановку задачи о переносе и рассеянии в сложной пространственной области газовой примеси от подвижного точечного источника.
-
С использованием современных численных методов механики жидкости и газа разработать методику и алгоритм численного решения, построить разрешающие соотношения задачи определения в сложной пространственной области городского квартала распределения концентрации газовой примеси от случайного потока автомобильного транспорта.
-
Реализовать в виде компьютерной модели методику решения системы дифференциальных уравнений, описывающих эволюцию концентрации газовоздушной смеси в исследуемой области, и выполнить ее верификацию с использованием известных решений задач газовой динамики и диффузии примесей.
-
С использованием разработанной компьютерной модели выполнить вычислительное моделирование переноса и рассеяния воздушным потоком отработанных газов от случайного потока автомобилей над территорией городского квартала.
-
На основе результатов вычислительных экспериментов выполнить анализ основных показателей загрязнения воздуха в характерных точках городского квартала.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработаны методика и алгоритм численного решения задачи о переносе и рассеянии в сложной пространственной области нагретых отработанных газов от случайного потока автомобильного транспорта.
-
Получено качественное и количественное описание эволюции пространственных полей газодинамических характеристик газовоздушной смеси, концентрации угарного газа, входящего в состав отработанных газов автомобильного транспорта, в области со сложной пространственной геометрией.
-
На основе компьютерной модели определены зависимости от времени средних значений и среднеквадратических отклонений концентрации угарного газа в атмосферном воздухе для характерных точек городского квартала.
-
Выполнен анализ закономерностей и особенностей формирования распределения угарного газа, входящего в состав отработанных газов автомобильного транспорта, в сложной пространственной области в целом и временные зависимости его концентрации для ряда характерных точек городского квартала.
На защиту выносятся следующие основные результаты работы:
методика численного решения газодинамической задачи о переносе и рассеянии в сложной пространственной области нагретой газовой примеси от случайного потока автомобильного транспорта;
результаты численного решения задач о пространственном движении сжимаемой среды из точечного источника, генерирующего поток газа с заданными характеристиками, и о пространственном распределении концентрации газовой примеси от подвижного точечного источника; сравнение численных результатов с точными решениями;
численное решение пространственной задачи о переносе воздушным потоком тяжелой (легкой) нагретой (холодной) газовой примеси, эмитированной точечным источником;
результаты вычислительного моделирования газодинамических характеристик потока газовоздушной смеси при обтекании зданий и сооружений городского квартала и полей концентрации угарного газа, входящего в состав отработанных газов, от случайного потока автомобильного транспорта;
анализ средних значений и среднеквадратических отклонений концентрации угарного газа, входящего в состав отработанных газов автомобильного транспорта, в характерных точках городского квартала.
Практическая значимость работы заключается в создании на основе разработанной методики алгоритмов и пакета прикладных программ, позволяющих сделать качественную и количественную оценку загрязнения воздушного пространства города отработанными газами автомобильного транспорта с учетом скорости и направления ветра, плавучести газовоздушного потока, изменения температуры и плотности, случайного характера появления автомобилей на трассе. На разработанную программу получено Свидетельство Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам о государственной регистрации.
Обоснованность и достоверность результатов, полученных с использованием разработанной методики и комплекса программ, обеспечивается использованием фундаментальных законов механики жидкости и газа, удовлетворительным согласованием результатов численных расчетов настоящей работы с известными точными решениям аналогичных задач и с расчетными данными других авторов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на международной научно-практической конференции «Инновации в транспортном комплексе. Безопасность движения. Охрана окружающей среды» (г. Пермь, 2010 г.); 10-й международной конференции «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах (НРС-2010)» (г. Пермь, 2010 г.); пятой международной конференции «Параллельные вычисления и задачи управления» (г. Москва, 2010 г.); областной научной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Молодежная наука Прикамья» (г. Пермь, 2010 г.); 10-й международной научно – практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); 5-й международной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» (г. Москва, 2010 г.); XVII конференция по механике сплошных сред «Зимняя школа - 2011» (г. Пермь, 2011 г.); международная научная конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики» (г. Алушта, респ. Крым, Украина, 2011 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в научных работах (все – в соавторстве; 3 опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК; 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Она содержит 147 страниц текста, в том числе 75 рисунков, 1 таблица. Библиографический список включает 167 наименований.
