Прогнозирование уровня загрязнения рабочих зон возле железнодорожной магистрали

Abstract

RU: Цель. Разработка CFD модели для оценки уровня загрязнения воздушной среды в робочих зонах возле железнодорожной магистрали при транспортировке угля. Методика. Для решения задачи разработана CFD модель, основанная на применении уравнений движения невязкой несжимаемой жидкости и массопереноса, для определения поля скорости ветрового потока вблизи вагона и в рабочей зоне вблизи железнодорожной магистрали. Для численного интегрирования уравнения переноса угольной пыли использовалась неявная попеременно-треугольная разностная схема. При построении разностной схемы осуществляется расщепление уравнения переноса, что позволяет построить эффективный алгоритм решения дифференциальной задачи. Неизвестное значение концентрации угольной пыли на каждом шаге расщепления определяется по явной схеме – методу бегущего счета, что обеспечивает простую численную реализацию уравнений расщепления. Для численного интегрирования уравнения для потенциала скорости применяется метод Ричардсона. Разработанные численные модели составляют основу созданного пакета прикладных программ. На основе построенных численных моделей проведен 3D вычислительный эксперимент по оценке уровня загрязнения атмосферы при сносе угольной пыли из полувагона. Результаты. Разработана 3D численная модель, которая относятся к классу «diagnostic models». Данная модель учитывает основные физические факторы, влияющие на процесс рассеивания угольной пыли в рабочей зоне вблизи железнодорожной магистрали при транспортировке угля. Предложенная модель требует небольших затрат компьютерного времени при практической реализации на компьютерах малой и средней мощности. Данная модель может быть использована для проведения расчетов по оценке влияния различных факторов на уровень загрязнения рабочих зон вблизи железнодорожной магистрали. Выполнены расчеты по определению концентрации угольной пыли в рабочей зоне возле железнодорожного вагона. Представлены результаты лабораторного эксперимента по исследованию формирования зон загрязнения возле модели вагона. Научная новизна. Создана CFD модель, позволяющая учесть существенные факторы, влияющие на процесс рассеивания угольной пыли в рабочих зонах возле железнодорожной магистрали. Практическая значимость. Рассмотрена эффективная CFD модель для экспресс расчета уровня загрязнения воздушной среды в рабочих зонах возле железнодорожной магистрали при перевозке угля. Модель может быть применена при разработке мероприятий по защите работников примагистральной территории от пылевого загрязнения. Предложенная модель позволяет рассчитать 3D аэродинамику воздушного потока и процесс рассеивания угольной пыли на примагистральной территории.

UK: Мета. Розробка CFD моделі для оцінки рівня забруднення повітряного середовища в робочих зонах біля залізничної магістралі при транспортуванні вугілля. Методика. Для розв’язаняя зазадачі розроблена CFD модель, заснована на застосуванні рівнянь руху нев'язкої нестисливої рідини і масопереносу, для визначення поля швидкості вітрового потоку поблизу вагона і в робочій зоні поблизу залізничної магістралі. Для чисельного інтегрування рівняння переносу вугільного пилу використовувалася неявна поперемінно-трикутна різницева схема. При побудові різницевої схеми здійснюється розщеплення рівняння переносу, що дозволяє побудувати ефективний алгоритм розв’язання диференціальної задачі. Невідоме значення концентрації вугільного пилу на кожному кроці розщеплення визначається за явною схемою – методу біжучого рахунку, що забезпечує просту чисельну реалізацію рівнянь розщеплення. Для чисельного інтегрування рівняння для потенціалу швидкості застосовується метод Річардсона. Розроблені чисельні моделі складають основу створеного пакета прикладних програм. На основі побудованих чисельних моделей проведено 3D обчислювальний експеримент по оцінці рівня забруднення атмосфери при знесенні вугільного пилу з піввагона. Результати. Розроблено 3D чисельну модель, яка відносяться до класу «diagnostic models». Дана модель враховує основні фізичні фактори, що впливають на процес розсіювання вугільного пилу в робочій зоні поблизу залізничної магістралі при транспортуванні вугілля. Запропонована модель вимагає невеликих витрат комп'ютерного часу при практичній реалізації на комп'ютерах малої і середньої потужності. Дана модель може бути використана для проведення розрахунків з оцінки впливу різних чинників на рівень забруднення робочих зон поблизу залізничної магістралі. Виконано розрахунки по визначенню концентрації вугільного пилу в робочій зоні біля залізничного вагона. Представлені результати лабораторного експерименту по дослідженню формування зон забруднення біля моделі вагона. Наукова новизна. Створена CFD модель, що дозволяє врахувати істотні фактори, що впливають на процес розсіювання вугільного пилу в робочих зонах біля залізничної магістралі. Практична значимість. Розглянута ефективна CFD модель для експрес розрахунку рівня забруднення повітряного середовища в робочих зонах біля залізничної магістралі під час перевезення вугілля. Модель може бути застосована при розробці заходів щодо захисту працівників примагістральної території від пилового забруднення. Запропонована модель дозволяє розрахувати 3D аеродинаміку повітряного потоку і процес розсіювання вугільного пилу на примагістральній території.

EN: Purpose. Development of a CFD model for estimating the level of air pollution in the working areas near the railroad during coal transportation. Methodology. To solve the problem, a CFD model based on the application of the equations of motion of inviscid incompressible fluid and mass transfer has been developed to determine the velocity field of the wind flow near the wagon and in the working area near the railway line. For numerical integration of the coal dust transfer equation, an implicit alternating-triangular difference scheme was used. When constructing a difference scheme, the transport equation is split, which makes it possible to construct an effective algorithm for solving a differential problem. The unknown value of the concentration of coal dust at each step of the splitting is determined by the explicit scheme – the running counting method, which ensures a simple numerical realization of the splitting equations. For the numerical integration of the equation for the velocity potential, the Richardson method is applied. The developed numerical models form the basis of the created package of applied programs. Based on the constructed numerical models, a 3D computational experiment was performed to estimate the level of atmospheric pollution during the removal of coal dust from a wagon. Findings. A 3D numerical model has been developed that belongs to the class of "diagnostic models". This model takes into account the main physical factors that affect the process of dispersal of coal dust in the work area near the railway line during the transportation of coal. The proposed model requires a small amount of computer time in practical implementation on small and medium power computers. This model can be used to perform calculations to assess the influence of various factors on the level of contamination of working areas near the railroad. Calculations have been performed to determine the concentration of coal dust in the working area near the railway car. The results of a laboratory experiment on the study of the formation of contamination zones near the car model are presented. Originality. A CFD model has been created that allows to take into account the significant factors that influence the process of coal dust dispersion in working areas near the railway main Practical value. An effective CFD model for the express calculation of the level of air pollution in working areas near the railway line for the transportation of coal is considered. The model can be applied to the development of measures to protect workers of the mainland from dust pollution. The proposed model allows to calculate the 3D aerodynamics of the air flow and the process of scattering of coal dust on the mainland territory.