Прогнозирование уровня загрязнения атмосферы при транспортировке сыпучих грузов

Abstract

RU: Цель. Разработка 3D численных моделей для прогноза загрязнения атмосферы при транспортировке сыпучих грузов в железнодорожном вагоне. Методика. Для решения поставленной задачи разработаны численные модели, основанные на применении уравнений движения невязкой несжимаемой жидкости и массопереноса, для определения поля скорости ветрового потока вблизи вагонов и рассеивания пыли в атмосфере. Для численного интегрирования уравнения транспорта загрязнителя 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 загрязнителя 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. Разработаны 3D численные модели, которые относятся к классу «diagnostic models». Данные модели учитывают основные физи-ческие факторы, влияющие на процесс рассеивания пылевых загрязнений в атмосфере при транспортировке сыпучих грузов. Предложенные численные модели требуют небольших затрат компьютерного времени при практической реализации на компьютерах малой и средней мощности. Эти модели используются для серийных расчетов разнообразных сценариев ситуаций, связанных с вопросами охраны окружающей среды и диагностики интенсивности загрязнения при различных метеоусловиях. Выполнены расчеты по определению концентрации загрязнителя и формирования зоны загрязнения вблизи вагона с сыпучим грузом в масштабе «microscale». Научная новизна. Созданы 3D численные модели, позволяющие учесть существенные факторы, влияющие на процесс рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере, и формирование зоны загрязнения при перевозке сыпучих грузов железнодорожным транспортом. Практическая значимость. Рассмотрены эффективные численные модели «diagnostic models» для экспресс расчета уровня загрязнения атмосферы при транспортировке сыпучих грузов железнодорожным транспортом. Модели могут быть применены при разработке мероприятий по охране окружающей среды при эксплуатации железнодорожного транспорта. Предложенные модели позволяют рассчитать 3D гидродинамику ветрового потока и процесс массопереноса вредных веществ в атмосфере.

UK: Мета. Розробка 3D чисельних моделей для прогнозу забруднення атмосфери при транспортуванні сипучих вантажів в залізничному вагоні. Методика. Для вирішення поставленої задачі розроблені 3D чисельні моделі, засновані на застосуванні рівнянь руху нев'язкої нестисливої рідини і масопереносу, для визначення поля швидкості вітрового потоку поблизу вагонів та розсіювання пилу в атмосфері. Для чисельного інтегрування рівняння транспорту забруднювача 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 забруднювача на кожному кроці розщеплення визначається по явній схемі – методу біжучого рахунку, що за-безпечує просту чисельну реалізацію рівнянь розщеплення. Для чисельного інтегрування рівняння для потенціалу швидкості застосовується метод Річардсона. Розроблені 3D чисельні моделі складають основу створеного пакета прикладних програм. На основі побудованих чисельних моделей проведено обчислювальний експеримент по оцінці рівня забруднення ат-мосфери при транспортуванні залізничним транспортом сипучого вантажу. Результати. Розроблено 3D чисельні моделі, які відносяться до класу «diagnostic models». Дані моделі враховують основні фізичні фактори, що впливають на процес розсіювання пилових забруднень в атмосфері при транспортуванні сипучих вантажів, але при цьому вимагають невеликих затрат комп'ютерного часу при практичній реалізації на комп'ютерах малої і середньої потужності. Ці моделі використовуються для серійних розрахунків різноманітних сценаріїв ситуацій, пов'язаних з питаннями охорони навколишнього середовища і діагностики інтенсивності забруднення при різних метеоумовах. Виконано 3D обчислювальні розрахунки по визначенню концентрації забруднювача і формування зони забруднення поблизу вагона з сипучим вантажем в масштабі «microscale». Наукова новизна. Створені 3D чисельні моделі, що дозволяють врахувати істотні фактори, що впливають на процес розсію-вання забруднюючих речовин в атмосфері, і формування зони забруднення при перевезенні сипучих вантажів залізничним транспортом. Практична значимість. Розглянуті 3D ефективні чисельні моделі «diagnostic models» для експрес розрахунку рівня забруднення атмосфери при транспортуванні сипучих вантажів залізничним транспортом. Моделі можуть бути застосовані при розробці заходів з охорони навколишнього середовища при експлуатації залізничного транспорту. Запропо-новані моделі дозволяють розрахувати 3D аеродинаміку вітрового потоку і процес масопереносу пильових домішок в атмосфері.

EN: Purpose. The development of 3D numerical models for the prediction of atmospheric pollution during transport of coal in the railway carriage. Methodology. To solve this problem 3D developed numerical models based on the use of the equations of motion of an inviscid incompressible fluid and mass transfer, to determine the field of wind velocity near the wagons and dispersion of dust in the atmosphere. For the numerical integration of the transport equation of the pollutant used implicit alternating-triangular difference schemes. When constructing a difference scheme is carried out splitting the transport equation that allows us to construct an efficient algorithm for solving a differential problem. Unknown value at every step of splitting the pollutant concentration determined by the explicit scheme – the method of running account, which provides a simple numerical implementation splitting equations. For numerical simulations of wind speed near the wagon Richardson method was used. The developed numerical models are the basis of established software package. On the basis of the constructed numerical models carried out a computational experiment to assess the level of air pollution when transporting bulk cargo by rail. Findings. Developed 3D numerical models that belong to the class «diagnostic models». These models take into account the main physical factors affecting the process of dispersion of dust pollution in the atmosphere during transportation of bulk cargo, but require a small cost of the computer time in the practice of in the low and medium power machines. These models are used for serial calculations of various situations of scenarios related to issues of environmental protection and pollution intensity diagnostics for different weather conditions. Submitted computational calculations to determine pollutant concentrations and the formation of the zone of pollution near the train with bulk cargo in «microscale» scale. Originality. Created 3D numerical models to take into account the relevant factors influencing the process of dispersion of pollutants in the atmosphere, and the formation of the zone of pollution during transport of bulk cargo by rail. Practical value. Considered efficient numerical models «diagnostic models» for rapid calculation of the level of pollution of the atmosphere during transportation of bulk cargo by rail. The models can be used in the development of environmental protection measures in the operation of rail transport. The proposed model allows to calculate the 3D dynamics of wind flow and the process of mass transfer of pollutants in the atmosphere.