Введение к работе
-Актуальность. Есте'ственноконвєктивнне течения играют огромную роль во многих природных и технологических процессах. В частности, при решении задач связанных с переносом загрязняющих веществ в воздушных бассейнах городов, расположенных в горных районах состояние атмосферы часто определяется воздушными потоками естественноконвективного происхождения (горно-долинная циркуляцияіГ'катабатические ветры; различные циркуляции, обусловленные антропогенными тепловыми источниками и т.д.).
Данная диссертационная работа выполнена в рамках системы ТОПАЗ [13 (Текущий Объективный Прогноз Атмосферных Загрязнений), разрабатываемой в Институте космических исследований АН РК и ориентированной на проблему загрязнения воздушного бассейна Алма-Аты. Атмосфера Алма-Аты является достаточно сложным объектом 12], характеризующимся взаимодействием многих природных процессов и антропогенных воздействий, трехмерное моделирование которого требует недоступных в настоящее время вычислительных ресурсов.. Кроме того, следует указать на нехватку информации, особенно о вертикальной структуре воздушных потоков, что не позволяет реализовывать достаточно достоверные процедуры объективного анализа для восстановления трехмерных полей метеоэлементов. В связи с этим единственная возможность заключается в разработке сравнительно простых моделей, отражающих основные атмосферные процессы. Среди таких процессов для Алма-Аты можно указать, на : горно-долинную циркуляции, обусловленную воздействием приблизительно двумерного хребта и ночные катабатические ветры из долин рек Малая 4.и Большая" АлМа1-Атинка. Совместное использование подобных моделей и Методой объективного анализа открывает возможность построения" достаточно реалистичной и экономичной модели воздушшх потоков- над городом.
2елю_работвр является^
- разработка" двумерной численной модели расчета конвективных
движений в приближении Бyccянecfta, й глубокой конвекции;
- «следование4 сложных процессов динамики и теплообмена нэс-
жтштй жидкости1 в областях с непрямоугольными границами;
исследование нестационарных режимов горно-долинной циркуля-ции воздушного бассейна Алма-Аты в двумерной постановке;
исследование влияния параметров горно-долинной циркуляции на перенос оксида углерода, выбрасываемого автотранспортом города;
а также разработка интегральной модели ночных нисходящих ветров в горном ущелье.
Научная_новизна^ В данной диссертации разработан численный метод решения системы уравнений естественной конвекции, записанных в ортогональной декартовой системе координат, позволяющий единым образом проводить расчеты конвективных течений в областях различной конфигурации. При этом расчетная область покрывается прямоугольником, но в отличие от метода фиктивных областей расчет проводится только для ячеек, находящихся в расчетной области.
Указанный метод применен для решения ряда конкретных задач свободной конвекции в замкнутых резервуарах и атмосфере. Впервые численно исследована нестационарная горно-долинная циркуляция в воздушном бассейне Алма-Аты в приближении глубокой конвекции. Проведен анализ локальных течений в атмосфере лри различных тепловых условиях на подстилащей поверхности и фоновой температурной стратификации атмосферы. С помощью данной модели рассмотрена задача о переносе в атмосфере города оксида углерода, выбрасываемого автотранспортом.
В работе сформулирована интегральная гидравлическая модель ночных нисходящих потоков холодного воздуха в горной долине и с ее помощью проведены расчеты для Большого Алма-Атинского ущелья.
Практическая_иенндстьл Двумерная модель может быть использована для расчетов гидродинамического и теплового режимов работы конкретных технических устройств. Полости сложной формы, заполненные жидкими тепло- и хладоносителями применяются в солнечных коллекторах, криогенной технике, ядерных реакторах и во многих других промышленных установках. Данная модель может быть использована для установления закономерностей термогравитационных течений мезометеорологичес.сого масштаба в атмосфере. Эти течения являются основным механизмом переноса загрязняющих
веществ в воздушном Оассейне городов, расположешшх в ветровой "тени" горных массивов.
Двумерная и гидравлическая модели могут быть использованы в процедурах восстановления трехмерных полей метеоэлементов для прикладных моделей переноса загрязняющих веществ в атмосфере города. Качественные и некоторые количественные результаты работы использовались для расчета полей ветра в атмосфере Алма-Аты в антициклональних условиях и нашли применение при разработке рекомендаций по воздухоохранным мероприятиям.
В данной работе автор_защищает:.
- численную модель свободноконвективного перемешивания в
стратифицированной среде, позволяющую единым образом проводить
расчеты для областей различной конфигурации;
-результаты решения задач динамики и теплообмена для двумерных полостей непрямоугольного сечения в приближении Буссинес-ка;
- численный анализ нестационарных режимов горно-долинной цир
куляции воздушного бассейна Алма-Аты в двумерной постановке и
приближении глубокой конвекции;
результаты по оценке влияния горно-долинной циркуляции на перенос оксида углерода, выбрасываемого автотранспортом города.
гидравлическую модель ночных нисходящих потоков холодного воздуха в горном ущелье.
Апробация_работы. Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, а также докладывались и обсуждались:
- на 8-й Республиканской межвузовской конференции по матема
тике и механике (Алма-Ата,'1984); . »
на отчетно-научных конференциях института математики и механики АН Каз. ССР (Алма-Ата, 1986-1990);
на 2-й Всесоюзной конференции "Моделирование процессов гидрогазодинамики и энергетики" (Новосибирск, 1990);
на 12-й Всесоюзной школе-семинаре по численным методам вязкой жидкости (Абакан, 1990);
на 4-й Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Новосибирск, 19Э1);
на- 2-й Всесоюзной конференции "Проблемы стратифицированных
течений" (Канев, 1991),
- на семинарах отдела вычислительной математики ИММ АН Каз. ССР, отдела космического мониторинга Института космических исследований АН РК, лаборатории процессов теплообмена и горения и кафедры физической гидрогазодинамики КазГУ.
Структура_и_объем_ЕботыЛ Диссертационная работа изложена на 130 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 124 наименований и содержит 27 рисунков и 3 таблицы.