Введение к работе
Настоящая работа посвящена исследованию радиационного теплообмена в многокомпонентных структурно-неоднородных, антропогенно - возмущенных средах. Моделирование радиационного теплообмена в камерах сгорания энергетических агрегатов и вычисления потоков излучения, достигающего тепловоспринимающей поверхности преобразователя солнечных установок горячего водоснабжения, солнечных тепловых электрических станций, требует изучения микроструктуры и оптических характеристик сажевого золя и ингредиентного состава промышленных выбросов. В настоящее время стала общепризнанной важность антропогенных воздействий на окружающую среду, радиационный теплообмен и временные тренды изменения климата на Земле, которые проявляются через механизм парникового эффекта, вызванного изменениями оптических свойств газовой и дисперсной фаз атмосферы и подстилающей поверхности.
Актуальность темы. Исследования парникового эффекта на временные тренды изменений климата относятся к среднеглобальной модели атмосферы, в то время как структурные характеристики атмосферы и подстилающей поверхности изменяются в зависимости от региона и времени года. Широкий комплекс исследований, показал что антропогенные изменения климата в большей степени обусловлены малыми оптически активными газовыми компонентами и атмосферными аэрозолями, парниковый эффект которых усиливается через воздействие на оптические свойства облаков и рост влагосодержания в атмосфере. В настоящее время актуально выполнение зонального моделирования парникового эффекта антропогенных выбросов с использованием статистических данных по структурным характеристикам атмосферы по многолетним результатам аэрологического и космического зондирования атмосферы. Выполнение моделирования радиационного теплообмена по одномерным моделям структуры атмосферы позволяет применить корректные схемы переноса коротковолнового и теплового излучений и радиационного теплообмена в системе «Солнце - подстилающая поверхность - атмосфера» с учетом пространственно-временных атмосферных вариаций метеопараметров и примесей. Данные по потокам, достигающим тепловоспринимающей поверхности преобразователя, необходимы для разработки и проектирования солнечных установок горячего водоснабжения, солнечных тепловых электрических станций.
Целью работы является повышение точности моделирования переноса излучения радиационного теплообмена в гетерогенных системах. Основные задачи исследования:
Анализ исходных данных и определение ингредиентного состава продуктов сгорания методом отбора проб, и микроструктуры сажевого золя.
Разработка и реализация метода тонкоструктурной спектрометрии для определения ингредиентного состава атмосферных выбросов;
Создание электронной базы данных для моделирования радиационного теплообмена в топках энергетических установок и многокомпонентных структурно-неоднородных, антропогенно - возмущенных средах. В том числе оптических характеристик антропогенных выбросов, атмосферного аэрозоля и облачного покрова;
Уточнение параметризации функций спектрального пропускания различных ингредиентов путем использования данных численного моделирования для определения их параметров;
Разработка алгоритмов для вычислений потоков, достигающих тепловоспринимающих поверхностей преобразователя солнечных установок горячего водоснабжения, солнечных тепловых электрических станций;
Выполнение зонального моделирования радиационного теплообмена и факторного анализа антропогенных воздействий на радиационный теплообмен и парниковый эффект.
Научная новизна работы:
-
Разработан метод тонкоструктурной спектрометрии для определения ингредиентного состава антропогенных атмосферных выбросов;
-
Предложено и реализовано зональное моделирование антропогенных возмущений на парниковый эффект и временные тренды изменений климата;
-
Установлены статистические закономерности спектров уходящего теплового излучения Земли и перехода «Земля - атмосфера - космос»;
-
Обнаружена неравновесность излучения сажевого золя в продуктах сгорания газовых топлив.
Основные методы научных исследований
В работе использованы методы вычислительной математики, теории радиационного теплообмена, общей химии и физики, оптики атмосферы и спектроскопии. Для расчетов и построения графических зависимостей использовались пакеты прикладных программ.
На зашиту выносятся:
Метод и результаты анализа ингредиентного состава продуктов сгорания и микроструктуры сажевого золя;
Статистические характеристики спектральных полей уходящего теплового излучения Земли и перехода «Земля - атмосфера - космос»;
Алгоритмы для вычисления полного потока солнечного излучения, достигающего тепловоспринимающей поверхности преобразователя солнечных установок горячего водоснабжения, солнечных тепловых электрических станций;
Результаты зонального моделирования парникового эффекта и корреляционные связи временных вариаций радиационного теплообмена;
Результаты моделирования спектральных альбедо системы «Земля -атмосфера» в многопотоковом приближении.
Научная и практическая значимость работы:
Результаты работы могут быть использованы при разработке соответствующих научных концепций и решения широкого круга задач в области физики атмосферы, экологии, климатологии, при разработке систем мониторинга окружающей среды, при построении радиационных моделей, при моделировании радиационного теплообмена в топках энергетических установок ТЭС, при разработке и проектировании солнечных установок горячего водоснабжения, солнечных тепловых электрических станций.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в анализе, создании базы исходных данных под научным руководством профессора, д-р. физ.-мат. наук Москаленко Н.И., которые стали основой данной работы, самостоятельно провел обработку, систематизацию, обобщение и анализ результатов выполненного моделирования.
Достоверность полученных результатов подтверждена использованием базы статистически обеспеченных структурных характеристик атмосферы, эмпирических параметров функций спектрального пропускания газовых оптически активных компонентов атмосферы, учетом многокомпонентного состава атмосферного аэрозоля и влияния конденсационных процессов на его оптические характеристики, согласием данных статистического моделирования с результатами космического мониторинга потоков уходящего излучения.
Апробация результатов
Работы обсуждались и докладывались на 2-ой Республиканской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Автоматика и электронное приборостроение» Казань, 2005г.; XI-ом аспирантско - магистерском научном семинаре, Казань, КГЭУ, 2005 г.; Всероссийской межвузовской научн. - техн. конференции, Казань, 2006 г.; V - ой, VI - ой Школе - семинаре молодых ученных и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова, «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», Казань, 2006,
2008 г.г.; XIX - ой межвузовской научн. - техн. конференции
«Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических
установках», Казань, 2007 г.; 13 - ой научн. - техн. конференции студентов и
аспирантов, Москва, 2007 г.; Всероссийской научной конференции студентов и
аспирантов и молодых ученных «Наука, Технологии, Инновации»
Новосибирск, 2007 г.; Поволжской региональной молодежной конференции
«Волновые процессы в средах», Казань, 2007 г., Аспиранстко - магистерском
научном семинаре посвященного «Дню энергетика», Казань, 2005, 2007, 2008,
2009 г.г.; XIV - ой международной научн. - техн. конференции студентов и
аспирантов «Радиоэлектроника, электроника и энергетика», Москва, 2008г.;
Волжской региональной молодежной научной конференции
«Радиометрические исследования природных сред и информационные
системы», Казань, 2008 г.; Международной научн. - техн. конференции
«Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы», Казань, 2008 г.; XV- ой
Всероссийской конференции, Йошкар - Ола, 2008 г.; Всероссийской
молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», Казань, КГЭУ
2006-2010 г.г.
Публикации. Автором опубликовано по теме диссертации 35 работ. Из них 3 по списку ВАК, 1 - монография, 7 статей в сборниках трудов научных конференций, 24 опубликованных тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержит 198 страниц печатного текста, в том числе 34 рисунка, 15 таблиц, I приложение диссертации. Список литературы содержит 145 источников.
