Введение к работе
Актуальность темы
С пояалением компьютеров математические модели для исследования
процессов в атмосфере получили интенсивное развитие (в частности в работах В.В.Пененко, И.Л.Кароля, Б.М.Кагановича, П.Крутцена, Дж.Ченга). Применение современных научных моделей позволяет: 1) определять и прогнозировать уровни загрязнения воздуха населенных пунктов; 2) идентифицировать информацию о выбросах; 3) анализировать перспективные изменения в качестве воздуха, обусловленные введением новых и реконструкцией существующих производственных объектов; 4) отыскивать оптимальные варианты развития производства, обеспечивающие соблюдение санитарных норм. Вместе с тем, наблюдается значительный разрыв между уровнем научных моделей и так называемых практических, используемых в природоохранной деятельности. В России парк практических вычислительных инструментов, к сожалению, ограничен рядом эмпирических и полуэмпирических методик, к числу которых следует отнести и известную ОНД-86. Достаточно сказать, что ни одна из этих методик не позволяет исследовать химические процессы в атмосфере. В научных кругах осознана важность таких процессов и существует значительный задел в их изучении: вторичное загрязнение воздуха, смоговые ситуации, динамика озонового слоя и др. (Ю.АИзраэль, В.АИсидоров, У.Хамейдес, С.Вофси). Воплощение имеющегося задела в набор инженерных инструментов составляет важную научную задачу. Актуальной яатяется оценка существующих атмосферных моделей на предмет возможности более широкого их применения. При этом следует рассмотреть как чисто научные модели, так и те, что уже используются в природоохранной деятельности за рубежом. Такой анализ позволил бы наметить программу работ по построению отечественных инструментов инженерного уровня, учитывающих специфику России (круг задач, уровень подготовки кадров, доступность исходных данных и др.).
4 Основными целями диссертационной работы являются
1. Разработка и применение вычислительных инструментов (программ),
реализующих детерминированные физико-химические модели атмосферы.
2. Развитие методов исследования процессов загрязнения воздуха, в частности,
процессов образования вторичных загрязнителей атмосферы.
Методы исследования
В работе использованы 1) математические модели: а) экстремальных промежуточных состояний гетерогенных физико-химических систем и б) гауссова факела (рассеивания выбросов в атмосфере); 2) теория обыкновенных дифференциальных уравнений; 3) средства объектно-ориентированного программирования; 4) математические методы: а) неявный метод Эйлера для жестких систем обыкновенных дифференциальных уравнений, б) метод Ньютона для систем нелинейных уравнений, в) интегрирование методом Монте-Карло и другие.
Научная новизна
1. Впервые предложен термодинамический метод оценки чувствительности
атмосферы к изменению ее химического состава в результате выбросов различной природы. Метод основан на исследовании экстремальных промежуточных состояний атмосферного воздуха как термодинамической системы и не имеет мировых аналогов. Научная новизна метода состоит в том, что он позволяет качественно и количественно оценивать возможные изменения в составе воздуха, обусловленные выбросами соединений, превращения которых еще недостаточно изучены или неизвестны.
2. Разработан программный модуль, реализующий препроцессор для трансляции
кинетических схем в моделях химической кинетики. В отличие от существующих
программ для построения систем дифференциальных уравнений на основе записи
реакционного механизма, препроцессор подготавливает задачу в памяти компьютера,
а не путем непосредственного задания уравнений скорости реакций в тексте
программы. Поэтому препроцессор представляет новый способ автоматизированного
построения систем дифференциальных уравнений в моделях химической кинетики.
3. Благодаря применению новых информационных технологий (препроцессор
кинетических схем, объектно-ориентированное проектирование, среда визуального
программирования Delphi) разработан согласованный пакет программ, реализующий
вычислительную систему (ВС) для построения, отладки и исследования моделей
химической кинетики в задачах химии атмосферы и горения. ВС объединила ряд
средств, позволяющих исследовать поведение химических и фотохимических
процессов в изобарно-изотермических, изохорно-изотермических и адиабатических
5 условиях в открытых и закрытых химических системах. Наличие в ВС графического
процессора ятя профессионального представления результатов расчета и развитого
блока помощи, делают вычислительную систему логически завершенным
инструментом для решения прикладных задач.
4. Разработана новая методика применения модели гауссова факела,
позволяющая выявить вклад источников разных типов в суммарные уровни
загрязнения атмосферы города. Новизна методики определяется предложенным
способом агрегирования и группировки разнородных источников, что позволяет
сопоставить влияние различных технологий сжигания на качество воздуха.
Эффективность методики показана на примере г.Иркутска, на территории которого
рассмотрены все объекты стационарной энергетики, включая домовые печи.
На защиту выносятся
1. Программная реализация препроцессора, предназначенного для трансляции
кинетических схем в моделях химической кинетики;
-
Вычислительная система NICK, позволяющая разрабатывать и исследовать кинетические модели химических процессов;
-
Термодинамический метод оценки чувствительности атмосферы к изменению ее химического состава;
4. Методика моделирования рассеивания выбросов от стационарных
источников в атмосфере города с использованием модели гауссова факела и
результаты ее применения (для г.Иркутска).
Практическая ценность
-
Блок трансляции кинетических схем для моделей химической кинетики нашел применение в трехмерной модели гидротермодинамики атмосферы, разрабатываемой в Вычислительном центре СО РАН (Новосибирск), что подтверждается актом о внедрении.
-
Реализована на персональной ЭВМ вычислительная система NICK, позволяющая разрабатывать и исследовать кинетические модели химических и фотохимических процессов в открытых, закрытых и изолированных системах. Вычислительная система может быть использована как в научных исследованиях, так и в процессе обучения для студентов химических специальностей ВУЗов.
3. С использованием ВС NICK получены оценки зависимости суточного
производства ряда вторичных загрязнителей воздуха (озона, пероксида водорода,
пероксиацетилнитрата и низших альдегидов) при изменении содержания в атмосфере
их химических предшественников, выбрасываемых объектами энергетики (оксидов
азота и неметановых углеводородов).
4. С использованием предложенной методики применения модели гауссова факела выполнены расчеты рассеивания вредных выбросов в атмосфере г.Иркутска от о&ьектов энергетики, в том числе ТЭЦ, крупных и мелких котельных и домовых печей. Результаты этих расчетов использованы при разработке "Стратегии экологически чистого энергоснабжения Байкальского региона", что подтверждается соответствующим актом о внедрении.
Апробация работы
Материалы, составляющие диссертацию, опубликованы в 12 печатных работах (из них две - в виде отдельных глав в монографиях и три - в иностранных изданиях). Кроме того, они обсуждались:
1) на международных семинарах и конференциях:
II Сибирском Конгрессе по Прикладной и Вычислительной Математике ИНПРИМ-96 (Новосибирск, июнь 1996),
семинаре "Моделирование качества воздуха" фирмы Тринити Консалтантс (Лондон, Великобритания, октябрь 1996),
22-й конференции НАТО "Моделирование загрязнения воздуха и его применения" (Клермон-Ферран, Франция, июнь 1997),
совместных открытых семинарах Сибирского энергетического института СО РАН и фирмы WS Atkins International в рамках проекта ТАСИС "Экологически чистое энергоснабжение Байкальского региона" (Иркутск, апрель 1996, март 1997);
4-й международной конференции по химической кинетике (Гэйтерсберг, США, июль 1997);
международной конференции "Измерения озона и аэрозолей в Восточной Азии" (Иркутск, август 1997);
2) на семинарах в отечественных организациях:
Объединенном техническом совете Иркутского областного комитета по охране окружающей среды и Иркутского областного управления Роскомгидромета (Иркутск, октябрь 1995),
семинарах Института Химической Кинетики и Горения СО РАН (Новосибирск, октябрь 1996, март 1997);
3) в Сибирском энергетическом институте СО РАН:
ученом совете и секциях ученого совета СЭИ;
на конференциях научной молодежи СЭИ (Иркутск, май 1995, апрель 1996, апрель 1997).
7 Эффективность практических результатов работы подтверждается двумя
актами о внедрении.
Структура и объем работы