Перенос и рассеяние над урбанизированной территорией отработанных газов автомобильного транспорта

Балабанов, Денис Сергеевич

Перенос и рассеяние над урбанизированной территорией отработанных газов автомобильного транспорта тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Балабанов, Денис Сергеевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Пермь МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Перенос и рассеяние над урбанизированной территорией отработанных газов автомобильного транспорта»

Автореферат диссертации на тему "Перенос и рассеяние над урбанизированной территорией отработанных газов автомобильного транспорта"

На правах рукописи

005001974

Балабанов Денис Сергеевич

ПЕРЕНОС И РАССЕЯНИЕ НАД УРБАНИЗИРОВАННОЙ ТЕРРИТОРИЕЙ ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ АВТОМОБИЛЬНОГО

ТРАНСПОРТА

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 НОЯ 2011

Пермь-2011 г.

005001974

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бояршинов Михаил Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Августинович Валерий Георгиевич

доктор технических наук, профессор Гимранов Эрнст Гайсович

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

Защита диссертации состоится 16 декабря 2011г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.188.05 при ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» по адресу: 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, ауд. 423-6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет».

Автореферат разослан //ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, доцент /.

А.Г. Щербинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Рост автомобильного парка выдвинул автотранспорт на одно из первых мест среди источников загрязнения городского воздушного пространства. Загрязняющие вещества, поступающие в атмосферный воздух в составе отработанных газов автомобильного транспорта (оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота и углеводороды), являются опасными для жизнедеятельности человека, поэтому отслеживание их концентрации в атмосфере городских кварталов, исследование распределения, рассеяния и переноса загрязнителей над урбанизированной территорией - задача чрезвычайно важная и актуальная с точки зрения охраны окружающей среды. Изучение же механизмов переноса и рассеяния воздушным потоком весомого нагретого газа (отработанных газов автомобильного транспорта) в сложной пространственной области представляет большой интерес с точки зрения фундаментальных и теоретических исследований процессов механики жидкости и газа.

В настоящее время в исследованиях М.Г. Бояршинова, О.Д. Волковой, В.И. Таранкова, Ю.Г. Фельдмана, R. Sivacoumar, D.P. Chock, G.T. Csanady, P.E. Benson, W.B Peterson, A.K. Luhar, P.S. Kasibhatla, Y. Moriguchi и других авторов разработаны модели, с различной степенью достоверности описывающие перенос и рассеяние загрязняющих веществ от подвижных источников, в том числе над урбанизированной территорией. Однако, в них, как правило, не в полном объеме учитываются скорость и направление ветра, рассеяние и плавучесть газовоздушной смеси за счет диффузии, изменения плотности и температуры, рельеф местности, застройка территории зданиями и сооружениями, случайный характер появления автомобилей на транспортной магистрали и прочие факторы. Поэтому разработка методики исследования переноса и рассеяния атмосферным воздухом, распределения концентрации отработанных газов случайного потока автомобильного транспорта над городской территорией является актуальной.

Цель работы заключается в исследовании особенностей распределения концентрации отработанных газов случайного потока автомобильного транспорта над территорией городского квартала на основе компьютерной модели, описывающей перенос и рассеяние в сложной пространственной области газовой примеси, эмитированной подвижным точечным источником.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1. На основе современных идей, представлений и подходов механики жидкости и газа обосновать и принять основные допущения и гипотезы, сформулировать математическую постановку задачи о переносе и рассеянии в сложной пространственной области газовой примеси от подвижного точечного источника.

2. С использованием современных численных методов механики жидкости и газа разработать методику и алгоритм численного решения, построить разрешающие соотношения задачи определения в сложной пространственной области городского квартала распределения концентрации газовой примеси от случайного потока автомобильного транспорта.

3. Реализовать в виде компьютерной модели методику решения системы дифференциальных уравнений, описывающих эволюцию концентрации газовоздушной смеси в исследуемой области, и выполнить ее верификацию с использованием известных решений задач газовой динамики и диффузии примесей.

4. С использованием разработанной компьютерной модели выполнить вычислительное моделирование переноса и рассеяния воздушным потоком отработанных газов от случайного потока автомобилей над территорией городского квартала.

5. На основе результатов вычислительных экспериментов выполнить анализ основных показателей загрязнения воздуха в характерных точках городского квартала.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны методика и алгоритм численного решения задачи о переносе и рассеянии в сложной пространственной области нагретых отработанных газов от случайного потока автомобильного транспорта.

2. Получено качественное и количественное описание эволюции пространственных полей газодинамических характеристик газовоздушной смеси, концентрации угарного газа, входящего в состав отработанных газов автомобильного транспорта, в области со сложной пространственной геометрией.

3. На основе компьютерной модели определены зависимости от времени средних значений и среднеквадратических отклонений концентрации угарного газа в атмосферном воздухе для характерных точек городского квартала.

4. Выполнен анализ закономерностей и особенностей формирования распределения угарного газа, входящего в состав отработанных газов автомобильного транспорта, в сложной пространственной области в целом и временные зависимости его концентрации для ряда характерных точек городского квартала.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

• методика численного решения газодинамической задачи о переносе и рассеянии в сложной пространственной области нагретой газовой примеси от случайного потока автомобильного транспорта;

• результаты численного решения задач о пространственном движении сжимаемой среды из точечного источника, генерирующего поток газа с заданными характеристиками, и о пространственном распределении концен-

трации газовой примеси от подвижного точечного источника; сравнение численных результатов с точными решениями;

• численное решение пространственной задачи о переносе воздушным потоком тяжелой (легкой) нагретой (холодной) газовой примеси, эмитированной точечным источником;

• результаты вычислительного моделирования газодинамических характеристик потока газовоздушной смеси при обтекании зданий и сооружений городского квартала и полей концентрации угарного газа, входяшего в состав отработанных газов, от случайного потока автомобильного транспорта;

• анализ средних значений и среднеквадратических отклонений концентрации угарного газа, входящего в состав отработанных газов автомобильного транспорта, в характерных точках городского квартала.

Практическая значимость работы заключается в создании на основе разработанной методики алгоритмов и пакета прикладных программ, позволяющих сделать качественную и количественную оценку загрязнения воздушного пространства города отработанными газами автомобильного транспорта с учетом скорости и направления ветра, плавучести газовоздушного потока, изменения температуры и плотности, случайного характера появления автомобилей на трассе. На разработанную программу получено Свидетельство Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам о государственной регистрации.

Обоснованность и достоверность результатов, полученных с использованием разработанной методики и комплекса программ, обеспечивается использованием фундаментальных законов механики жидкости и газа, удовлетворительным согласованием результатов численных расчетов настоящей работы с известными точными решениям аналогичных задач и с расчетными данными других авторов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на международной научно-практической конференции «Инновации в транспортном комплексе. Безопасность движения. Охрана окружающей среды» (г. Пермь, 2010 г.); 10-й международной конференции «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах (НРС-2010)» (г. Пермь, 2010 г.); пятой международной конференции «Параллельные вычисления и задачи управления» (г. Москва, 2010 г.); областной научной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Молодежная наука Прикамья» (г. Пермь, 2010 г.); 10-й международной научно - практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); 5-й международной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» (г. Москва, 2010 г.); XVII конференция по механике сплошных сред «Зимняя школа - 2011» (г. Пермь, 2011 г.); международная

научная конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики» (г. Алушта, респ. Крым, Украина, 2011 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в научных работах (все - в соавторстве; 3 опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК; 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Она содержит 147 страниц текста, в том числе 75 рисунков, 1 таблица. Библиографический список включает 167 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность проблемы загрязнения воздушного пространства города отработанными газами автомобильного транспорта. Сформулированы основные цели и задачи работы, а также отражены ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе представлен обзор современного состояния исследований загрязнения атмосферного воздуха города источниками антропогенного происхождения. Описаны факторы, влияющие на перенос и рассеяние загрязняющих веществ в атмосфере, основными из которых являются: скорость и направление воздушного потока, плотность и температура атмосферного воздуха, а также плотность и температура отработанных газов.

Приведен обзор методов решения задач о переносе и рассеянии воздушными потоками газовых примесей. Отмечается, что при решении задач газовой динамики большое внимание уделяется методам численного моделирования, поскольку построение точных решений для систем нелинейных дифференциальных уравнений движения, энергии, концентрации и прочих не представляется возможным. Кроме того, численное моделирование указанных процессов является наиболее целесообразным способом оценки экологической ситуации региона (производственного объекта, полигона, промышленной зоны, жилого района, участков сельскохозяйственного производства), поскольку вычислительный эксперимент дает наиболее полную картину состояния окружающей среды, является экономичным, позволяет сделать качественные и количественные оценки загрязнения воздушного пространства.

Во второй главе приведены математическая и физическая постановки задачи о переносе и рассеянии загрязняющих веществ над урбанизированной территорией, построены разрешающие соотношения и описан алгоритм решения задачи с учетом плавучести газовоздушной смеси. Предполагается, что отработанный газ, эмитируемый подвижным точечным источником, является однокомпонентной невязкой сжимаемой сплошной средой.

Для описания плавучести газовоздушной смеси используется приближение Буссинеска, согласно которому при малой концентрации С и малом отклонении температуры Т примеси от среднего значения может использоваться разложение в ряд Тейлора функции плотности газовоздушной смеси:

р(С,Г)«р(С0,7;)+р'с(С0ХС-С0) + р'г(Г0ХГ-7;)=р0+аС + р(Г-Г0), (1)

где С0 = О, р0, Т0 - начальные концентрация, плотность и температура газовоздушной смеси, а - концентрационный коэффициент плотности, р - коэффициент температурного расширения газа.

Математическая постановка задачи о переносе и рассеянии воздушным потоком отработанных газов автомобильного транспорта в сложной пространственной области, включает в себя систему дифференциальных уравнений неразрывности

^ + у.(рУ) = „г5(гД (2)

движения

состояния

+ V. (рУУ)+ Чр = 8[аС+ Р(Г - Г0)] + тУиб(гД (3)

нергии

+ V ■ (р£/У) + V • (рУ) = -V • (Р У)+ е5(г5), (4)

полной удельной энергии

8{ри)

Р^и-УУМ (5)

Для исследования концентрации отдельных компонент газовоздушной смеси система уравнений (2)-(5) дополняется уравнением концентрации (диффузионное приближение)

8 С

— + У-(СУ) = У.(^УС) + 95(г,)- (6)

Здесь обозначено: V - скорость потока; - радиус-вектор положения точечного источника; g - ускорение свободного падения; и - полная удельная энергия; Рк - гидростатическое давление; р - отклонение действительного давления от Рг; к - показатель адиабаты; е — мощность точечного источника; т - массовый расход отработанного газа, имеющего скорость Ут; С, д -концентрация и интенсивность поступления загрязняющей примеси из источника; X - коэффициент диффузии; 5() - дельта-функция Дирака; М- молярная масса вещества.

Для решения уравнений (2)—(6) применяется численный метод Давыдова (метод крупных частиц), хорошо зарекомендовавший себя при решении широкого класса задач механики жидкости и газа, описываемых системой уравнений Эйлера.

Третья глава диссертации посвящена верификации разработанной компьютерной модели. Оценка погрешности компьютерного моделирования газодинамических характеристик потока газовоздушной смеси (рис. 1) выполнена с использованием точного решения стационарной задачи о пространственном движении сжимаемой среды из точечного источника, генерирующего поток массы с интенсивностью т и мощностью е, которое имеет вид:

К = Л/2е/ш, р = л/тйГ/471Г2л/2ё, и = е/т, Р = 0.

Вычислительные эксперименты выполнены на равномерных сетках с количеством элементарных ячеек N = 216, 1728,15625,125-Ю3,10б и 8-Ю6.

Рис. 1. Зависимости погрешности решения от размера И ребра расчетной ячейки: плотность (-0-), скорость (-0-), полная удельная энергия ( Д-) и давление (-0-);

В каждом из вариантов расчеты осуществлялись до достижения состояния установления численного эволюционного решения.

Рис. 2. Сравнение результатов численного (-0-) и точного (-0-) решений задачи о концентрации газовой примеси от подвижного точечного источника (а) и зависимость от шага /г погрешности численного решения задачи (б)

Отклонения численных решений от точных значений оценивалась выражением ЬА.=тах\к:]к-к{х1,у],2к'][, где Л..4 - численное решение,

Л(х/,у,,гк) - точное решение в расчетной ячейке с номерами /,_/, к; Л принимает значения р, и, Р и V.

Оценка погрешности компьютерной модели распределения в пространственной области концентрации газовой примеси, эмитируемой движущимся с заданной скоростью точечным источником (рис. 2), выполнена с помощью известного точного решения.

Для исследования особенностей переноса и рассеяния весомого нагретого газа решен ряд газодинамических задач о движении газовоздушного потока, образованного смешением условно чистого воздуха с тяжелым газом, имеющим температуру окружающей среды (рис. 3, а); с нагретым газом, имеющим плотность, равную плотности окружающего воздуха (рис. 3, б); тяжелого нагретого газа (рис. 3, в).

__0.1061.— 0.0778—-

Рис. 3. Эволюция поля концентрации (кг/м") тяжелого холодного газа (а); легкого нагретого газа (б); нагретого тяжелого газа (в)

Для решения задачи о распределении концентрации угарного газа от автомобильного транспорта в городском квартале (рис. 4) с использованием разработанной компьютерной модели проведено исследование характеристик

движения воздушных масс и распределения угарного газа в условиях городского квартала.

Анализ движения воздушного потока в пределах городского квартала (рис. 5) позволил выявить области свободного движения воздушных масс, зон стагнации и локальных завихренностей газовоздушной смеси.

Решение задачи определения концентрации отработанных газов автомобильного транспорта в городском квартале (рис. 6) получено с учетом скорости и направления воздушного потока, скорости, интенсивности и направления движения потока транспортных средств, режимов работы светофоров на перекрестках городского квартала, а также плавучести газовоздушной смеси, образованной смешением условно чистого воздуха с горячими отработанными газами.

-шпратение ветра

Рис. 4. Сеточная модель исследуемого городского квартала

¡Ш i HfiMi HlitM!ШШНи!

ер

rC=J

....... jiuji-U y :i::::;:::::

:eilj o'Olplh

ЕР

tul

D=,

Рис. 5. Распределение векторов скорости (а) и изолинии скорости (б) в сеченииг = 2м

Для исследования влияния городских зданий и сооружений, плавучести газовоздушной смеси на перенос и рассеяние отработанных газов автомобильного транспорта выполнены вычислительные эксперименты по определению статистических характеристик (среднего значения и среднеквадрати-ческого отклонения от среднего значения) распределения концентрации угарного газа для ряда контрольных точек (рис.7).

ш»...... __

; ^ :

^□ОШг 0

I_Гос

□

о,

сР

сг

Рис. 6. Поле концентрации угарного газа в сечениях г = 2 м (а) и г = 10 м (б)

50 11» Щ 20(1 "и Ж

150 до

Рис. 7. Зависимости от времени статистических характеристик угарного газа: 1 - концентрация; 2 - среднее значение; 3 - среднеквадратическое отклонение; а - транспортная магистраль, б - внутренний двор;

Из рис. 7 следует, что с началом движения транспортного потока концентрации угарного газа в контрольных точках быстро возрастают, и в дальнейшем зависимость концентрации от времени принимает пилообразный характер. В отличие от мгновенных значений концентрации (1) ее средние значения (2) и среднеквадратические отклонения (3) с течением времени уста-

навливаются, принимают вид апериодических колебаний с небольшой амплитудой.

Периоды между наибольшими и наименьшими значениями концентраций существенно зависят от расположения контрольных точек. В непосредственной близости от транспортного потока (рис. 7, а) отмечаются «волны» колебаний с различными периодами: высокочастотные осцилляции концентрации происходят с периодами от 0,6 с до 1,5 с. Такие периоды определяются временем между моментами прохождения очередных автомобилей возле контрольной точки. «Длинноволновые» изменения концентрации с периодами продолжительностью от 40 с до 50 с (для той же точки) определяются временем переключения режимов работы светофоров на перекрестках.

Для точек, расположенных внутри кварталов (рис. 7, б), периоды изменения значений концентрации составляют от 20 с до 45 с, что также соответствует времени продолжительности работы светофоров. Осцилляции концентраций в контрольных точках, расположенных внутри дворовых территорий, практически отсутствуют благодаря сглаживанию за счет диффузионных процессов за время движения газовоздушных потоков от транспортных магистралей во внутренние территории кварталов.

Для анализа распределения концентрации угарного газа в атмосферном воздухе городского района для всех контрольных точек выполнено сравнение следующих вариантов моделирования: с учетом городских строений и учетом плавучести газовоздушной смеси (кривые с индексом «1»); с учетом городских строений, без учета плавучести газовоздушной смеси (кривые с индексом «2»); без учета городских строений, с учетом плавучести газовоздушной смеси (кривые с индексом «3»); без учета городских строений и без учета плавучести газовоздушной смеси (кривые с индексом «4»),

'¡■А - М? • — 1. ...

1 1М

У И Ту/ %/ ...............

1л/

1 1 и •[■ I...........................

1 #

V-

Г ш

да 4оо «о т т 12« ш» т ¡, с

рхо ¡.т да

Рис. 8. Зависимость от времени средней концентрации (а) и среднеквадратического отклонения (б) в контрольной точке, расположенной на транспортной магистрали

Продолжительность вычислительных работ для этих вариантов определялась временем установления указанных значений в контрольных точках, что составило около 30 мин моделируемых процессов. Анализ результатов вычислительных экспериментов (рис.8) в рассматриваемой области показал, что городские строения и плавучесть газовоздушной смеси оказывают существенное влияние на распределение угарного газа над урбанизированной территорией, что подтверждает необходимость учета указанных факторов при моделировании переноса и рассеяния отработанных газов автотранспорта в воздушной среде городской территории.

Во всех четырех вариантах зависимости от времени как средней концентрации, так и среднеквадратического отклонения концентрации (рис. 8) оказываются качественно подобными, однако различаются количественно. Это позволяет утверждать, что каждый из рассмотренных в настоящем исследовании факторов (застройка территории, плавучесть газовой примеси) является значимым и должен приниматься во внимание при анализе распределения в атмосферном воздухе городских кварталов концентрации загрязняющих примесей, поступающих в составе отработанных газов.

Анализ полученных зависимостей показывает, что вблизи от транспортных магистралей при учете городских построек средняя концентрация угарного газа (рис. 8, а, кривые 1 и 2) выше, чем в той же области без учета строений (кривые 3 и 4). Напротив, в контрольных точках, расположенных во дворах, средняя концентрация, определенная при учете застройки городского квартала, ниже, чем в той же области без учета городских строений. Это объясняется тем, что строения препятствуют переносу отработанных газов автотранспорта внутрь дворовых территорий, повышая тем самым концентрацию угарного газа на транспортных магистралях, и снижая содержание угарного газа в воздухе дворов городской территории.

В контрольных точках, расположенных в непосредственной близости от проезжей части, средняя концентрация угарного газа выше в случае расчета для пространственной области с учетом плавучести газовоздушной смеси (рис. 8, а, кривые 1 и 3). Это определяется тем, что вблизи транспортной магистрали нагретые отработанные газы обладают положительной плавучестью, конвективный механизм вносит дополнительный вклад в процесс переноса газовоздушной смеси с повышенной концентрацией угарного газа из приземных слоев воздуха на высоту расположения контрольных точек и повышает концентрацию загрязняющего вещества в местах наблюдения.

В контрольных точках, находящихся на удалении от трассы, при выполнении расчетов с учетом плавучести газовоздушной смеси (кривые 1 и 3) концентрация угарного газа ниже, чем в расчете без учета плавучести (кривые 2 и 4). Это можно объяснить влиянием отрицательной плавучести остывшего угарного газа, плотность которого выше плотности атмосферного воздуха. Более тяжелая газовая примесь опускается в приземные слои возду-

ха и понижает концентрацию загрязняющего вещества на высоте расположения контрольных точек.

Среднеквадратическое отклонение ас концентрации угарного газа от среднего значения (рис. 8, б) для контрольных точек, расположенных в непосредственной близости от проезжей части, выше, чем в точках, расположенных внутри дворов. Учет городской застройки (рис. 8, б, кривые 1 и 2) при выполнении вычислений приводит к более высоким значениям стс в контрольных точках, расположенных вблизи транспортных магистралей, по сравнению с данными, полученными в расчетах без учета городского рельефа (кривые 3 и 4). Для контрольных точек, расположенных во дворах, учет городской застройки понижает значения стс по сравнению с величинами, получаемыми в расчетах концентрации угарного газа над незастроенной территорией. Отмеченные закономерности среднеквадратического отклонения позволяют утверждать, что здания и сооружения препятствуют переносу отработанных газов автотранспорта внутрь дворовых территорий, одновременно повышая размах значений концентрации угарного газа на транспортных магистралях и снижая его значения в воздухе дворов городской территории.

Результаты вычислительных экспериментов позволяют сделать вывод, что наиболее опасными для здоровья жителей урбанизированной территории являются зоны, расположенные вблизи транспортных магистралей (рис. 7, а и 8, а), где средние по времени концентрации угарного газа превышают разовую величину предельно-допустимой концентрации в 1,2-1,5 раза; превышение допустимой величины среднесуточной концентрации достигает 2,9 раза.

ВЫВОДЫ

В диссертационной работе приведено новое решение актуальной с точки зрения охраны окружающей среды, а также фундаментальных и теоретических исследований процессов механики жидкости и газа задачи о переносе и рассеянии над урбанизированной территорией отработанных газов случайного потока автомобильного транспорта. Выполнен анализ закономерностей и особенностей формирования распределения угарного газа, входящего в состав отработанных газов автомобильного транспорта, в сложной пространственной области с учетом плавучести газовоздушной смеси и метеорологических условий, параметров движения транспортных потоков, режимов работы светофоров на перекрестках исследуемого района.

Основные научные и практические результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

1. На основе методов и подходов механики жидкости и газа сформулирована математическая постановка, разработаны оригинальная методика и алгоритм численного решения эволюционной задачи о переносе и рассеянии в городском квартале газовой примеси от случайного потока транспортных средств.

2. Для системы уравнений Эйлера, описывающих движение газовоздушной смеси в пространственной области со сложной геометрией, на основе метода Давыдова (крупных частиц) построены разрешающие соотношения и разработана компьютерная модель, реализующая разработанную методику. На программу получено Свидетельство Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам о государственной регистрации.

3. Выполнена верификация компьютерной модели с использованием известных точных решений задач газовой динамики и рассеяния примесей.

4. Компьютерная модель позволила получить решение эволюционной газодинамической задачи о переносе и рассеянии в атмосферном воздухе городского квартала угарного газа от случайного потока автомобилей с учетом застройки городского квартала, параметров движения транспортных потоков, режимов работы светофоров, метеорологических условий, скорости и направления воздушного потока, плавучести газовоздушной смеси.

5. Исследовано влияние застройки городской территории и плавучести газовоздушной смеси на перенос и рассеяние угарного газа от автомобильного транспорта для ряда характерных точек городского квартала.

6. Разработанная компьютерная модель может быть использована для разработки инструментария, пригодного для объективного и обоснованного принятия управленческих решений по рационализации транспортных потоков, реконструкции дорог, проектированию и строительству новых транспортных магистралей с целью снижения техногенной нагрузки на атмосферный воздух.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Бояршинов М.Г., Балабанов Д.С. Моделирование с использованием высокопроизводительного вычислительного комплекса движения сжимаемой среды, генерируемой точечным источником // Параллельные вычисления и задачи управления. Труды пятой международной конференции. - Москва, 2010.-С.205-218.

2. Бояршинов М.Г., Балабанов Д.С. Оценка загрязнения атмосферного воздуха городского квартала отработанными газами автомобильного транспорта // Инновации в транспортном комплексе. Безопасность движения. Охрана окружающей среды. Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию Победы советского народа в Великой Отечественной войне. - Пермь, 2010. -Т.2. - С. 190 - 194.

3. Бояршинов М.Г., Балабанов Д.С. Вычислительное моделирование движения сжимаемой среды с использованием высокопроизводительного вычислительного комплекса // Высокопроизводительные параллельные вычис-

ления на кластерных системах (НРС-2010). Материалы X Международной конференции. - Пермь, 2010. - Т. 1. - С.88 - 95.

4. Бояршинов М.Г., Балабанов Д.С. Перенос и рассеяние над урбанизированной территорией нагретого газа, эмитированного точечным источником // Десятая международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - Санкт-Петербург, 2010. - С. 182-183.

5. Бояршинов М.Г., Балабанов Д.С. Вычислительное моделирование движения сжимаемой среды, генерируемой точечным источником // Вычислительная механика сплошных сред. - 2010. - Т.З, №3. - С. 18-32 (из перечня ВАК).

6. Балабанов Д.С., Бояршинов М.Г. Моделирование переноса отработанных газов автомобильного транспорта методом крупных частиц // Современные проблемы гуманитарных и естественных наук. Материалы пятой международной научно-практической конференции. - Москва, 2011. - С. 13 -17.

7. Бояршинов М.Г., Балабанов Д.С. Перенос и рассеяние воздушным потоком отработанных газов автомобильного транспорта над урбанизированной территорией // Зимняя школа по механике сплошных сред (семнадцатая): Тезисы докладов. - Пермь: ИМСС УрО РАН, 2011. - С. 34.

8. Бояршинов М.Г., Балабанов Д.С. Перенос и рассеяние воздушным потоком отработанных газов автомобильного транспорта над урбанизированной территорией // Труды XVII Зимней школы по механике сплошных сред (электронный ресурс). - Пермь-Екатеринбург: ИМСС УрО РАН, 2011. - 10 с.

9. Бояршинов М.Г., Балабанов Д.С. Перенос и рассеяние воздушным потоком тяжелого газа, эмитированного точечным источником // Вестник ПГТУ. Механика. - Пермь: Изд-во ПГТУ, 2011. -N3. - С. 72-84.

10. Бояршинов М.Г., Харченко A.B., Балабанов Д.С. Перенос и рассеяние воздушным потоком тяжелого нагретого газа //Вестник ИжГТУ. - 2011. - N2. - С. 206-211 (из перечня ВАК).

11. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011615085, Российская федерация. Вычислительное моделирование движения нетеплопроводного сжимаемого газа, генерируемого точечным источником / М.Г. Бояршинов, Д.С. Балабанов; правообладатель ГОУВПО ПГТУ. -№2011613493 Заявл. 12.05.2011; опубл. 29.06.2011.

12. Бояршинов М.Г., Балабанов Д.С. Вычислительное моделирование переноса и рассеяния воздушным потоком отработанных газов автотранспорта над территорией городского квартала // Вычислительная механика сплошных сред. - 2011. - Т.4, №3. - С. 13-20 (из перечня ВАК).

Подписано в печать 08.11.2011. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1886/2011.

Издательство Пермского национального исследовательского политехнического университета. Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел. (342)219-80-33.

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Балабанов, Денис Сергеевич, Пермь

ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201200344

БАЛАБАНОВ ДЕНИС СЕРГЕЕВИЧ

ПЕРЕНОС И РАССЕЯНИЕ НАД УРБАНИЗИРОВАННОЙ ТЕРРИТОРИЕЙ ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Бояршинов М.Г.

Пермь-2011

Оглавление

Стр.

Введение.................................................................................... 4

Глава 1. Проблемы загрязнения городской экосистемы отработанными газами......................................................................................... 9

1.1. Загрязнение воздушного бассейна города...................................... 9

1.2. Автомобильный транспорт как основной источник загрязнения городской экосистемы............................................................. 12

1.3. Перенос и рассеяние загрязняющей примеси над урбанизированной территорией.......................................................................... 18

1.4. Методы решения задачи о переносе и диффузии примесей над урбанизированной территорией................................................. 21

1.5. Моделирование переноса примесей от потока транспортных средств...35

1.6. Выводы по главе..................................................................... 37

Глава 2. Моделирование переноса и рассеяния отработанных газов

автомобильного транспорта над урбанизированной территорией....... 39

2.1. Физическая постановка задачи.................................................. 39

2.2. Математическая постановка задачи............................................. 40

2.3. Построение разрешающих соотношений...................................... 44

2.4. Выводы по главе..................................................................... 49

Глава 3. Верификация математической модели................................... 50

3.1. Сравнение аналитического и точного решений пространственной задачи о движении сжимаемой среды из точечного источника........ 50

3.2. Сравнение аналитического и точного решений задачи о распределении концентрации отработанных газов

автомобильного транспорта в пространственной области................ 62

3.3. Перенос и рассеяние воздушным потоком тяжелого нагретого газа... 65

3.4. Выводы по главе................................................................... 70

Глава 4. Распределение концентрации отработанных газов в атмосферном

воздухе городского квартала....................................................................................................72

4.1. Описание программного комплекса для расчета

концен трации отработанных газов автотранспорта в-

сложной пространственной области..............................................................................72

4.2. Движение воздушных масс в городском квартале............................................73

4.3. Концентрации отработанных газов автомобильного транспорта в атмосферном воздухе городского квартала..........................................................94

4.4. Показатели загрязнения атмосферного воздуха городского квартала отработанными газами автомобильного транспорта..................................105

4.5. Выводы по главе..........................................................................................................................125

Выводы............................................................................................................................................................126

Литература....................................................................................................................................................128

ВВЕДЕНИЕ

Для оценки загрязнения урбанизированной территории отработанными газами автомобильного транспорта, выявления на территории города зон с наибольшим содержанием вредных веществ и принятия необходимых мероприятий по снижению концентрации загрязняющих примесей необходимым является исследование процесса переноса и рассеяния загрязняющих веществ от потока транспортных средств в условиях городских застроек.

Исследование процесса переноса и рассеяния отработанных газов выполняется на основе методов механики жидкости и газа. В настоящее время в исследованиях М.Г. Бояршинова, О.Д. Волковой, В.И. Таранкова, Ю.Г. Фельдмана, R. Sivacoumar, D.P. Chock, G.T. Csanady, P.E. Benson, W.B Peterson, A.K. Luhar, P.S. Kasibhatla, Y. Moriguchi и других авторов разработаны модели, с различной степенью достоверности описывающие перенос и рассеяние загрязняющих веществ от подвижных источников, в том числе над урбанизированной территорией. Однако, в них, как правило, не учитываются скорость и направление ветра, рассеяние и плавучесть газовоздушной смеси за счет диффузии, изменения плотности и температуры, рельеф местности, застройка территории зданиями и сооружениями, случайный характер появления автомобилей на транспортной магистрали и прочие факторы. Поэтому разработка методики исследования переноса и рассеяния атмосферным воздухом, распределения концентрации отработанных газов случайного потока автомобильного транспорта над городской территорией является актуальной.

области газовой примеси, эмитированной подвижным точечным источником. Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1. На основе современных идей, представлений и подходов механики -жидкости и газа обосновать и принять основные допущения и

гипотезы, сформулировать математическую постановку задачи о переносе и рассеянии в сложной пространственной области газовой примеси от подвижного точечного источника.

Научная новизна работы:

-состав отработанных газов автомобильного транспорта, в области

со сложной пространственной геометрией.

Достоверность результатов. Справедливость применяемых гипотез, допущений и результатов, полученных с использованием разработанной методики и пакета программ, подтверждаются удовлетворительным соответствием получаемых решений точным решениям известных задач, а также применением фундаментальных законов механики жидкости и газа для построения математической модели.

Общий объем работы - 147 страниц, включая 75 рисунков, 1 таблицу и библиографический список в количестве 167 наименований.

Во введении обосновывается актуальность проблемы исследования процесса переноса и рассеяния отработанных газов автомобильного транспорта в условиях городских застроек, формулируются цель и задачи работы, отражены се научная новизна и практическая значимость, а также излагается краткое содержание глав диссертации.

Первая глава содержит обзор литературных источников, посвященных анализу загрязнения воздушного пространства города, факторам, влияющим на рассеивание загрязняющих примесей в атмосфере, а также методам решения задач о переносе и диффузии примесей над урбанизированной территорией.

Вторая глава посвящена физической и математической постановке задачи о переносе и распространении загрязняющих веществ в условиях городского квартала, построению разрешающих соотношений и алгоритма решения задачи. При построении соотношений используется метод Давыдова (крупных частиц).

В третьей главе выполняется верификация математической модели на задачах: движения сжимаемой среды из точечного источника, генерирующего поток газа с определенной мощностью и интенсивностью; распределения в пространственной области концентрации отработанных газов автомобильного транспорта, эмитируемых движущимся точечным источником; переноса тяжелого нагретого газа воздушным потоком, эмитированного точечным источником. Результаты моделирования удовлетворительно согласуются с точным решением описанных задач.

В четвертой главе представлены результаты решения эволюционной задачи переноса и рассеяния в атмосферном воздухе городского квартала угарного газа, входящего в состав отработанных газов автотранспорта, от случайного потока автомобилей. Первая часть главы посвящена исследованию характеристик воздушного потока при обтекании городских застроек квартала. Во второй части главы описано решение задачи переноса и рассеяния отработанных газов от потока транспортных средств в условиях

городских застроек исследуемого квартала. Модель движения газовоздушной смеси над урбанизированной территорией учитывает скорость и направление воздушного потока, скорость, плотность и направление движения потока транспортных средств, а также плавучесть смеси, образованной смешением условно чистого воздуха с отработанными газами.

Аппробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на международной научно-практической конференции «Инновации в транспортном комплексе. Безопасность движения. Охрана окружающей среды» (г. Пермь, 2010 г.); 10-й международной конференции «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах (НРС-2010)» (г. Пермь, 2010 г.); пятой международной конференции «Параллельные вычисления и задачи управления» (г. Москва, 2010 г.); областной научной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Молодежная наука Прикамья» (г. Пермь, 2010 г.); 10-й международной научно - практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); 5-й международной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» (г. Москва, 2010 г.); XVII конференция по механике сплошных сред «Зимняя школа -2011» (г. Пермь, 2011 г.); международная научная конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики» (г. Алушта, респ. Крым, Украина, 2011 г.) и отражены в публикациях статей и тезисов конференций [6, 7, 20-28].

1. ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГОРОДСКОЙ ЭКОСИСТЕМЫ ОТРАБОТАННЫМИ ГАЗАМИ

1.1. Загрязнение воздушного бассейна города_

Примесь в атмосфере — это рассеянное в атмосферном воздухе вещество, не содержащееся в ее постоянном составе. Под загрязнением атмосферы понимается изменение состава атмосферы в результате попадания в нее загрязняющих, то есть опасных для человека и окружающей среды, примесей [126]. Загрязняющие вещества выбрасываются в атмосферу в виде смесей пыли, дыма, тумана, пара, газообразных веществ и характеризуются по четырем признакам:

а) по агрегатному состоянию;

б) химическому составу;

в) размеру частиц;

г) массовому расходу выброшенного вещества.

На организм человека атмосфера оказывает воздействие:

а) физическое: посредством теплового нагрева и механического давления атмосферного воздуха;

б) химическое: посредством образования химических соединений, оказывающих влияние на кожные покровы и внутренние органы [126].

Источники выбросов в атмосферу подразделяют на естественные, обусловленные природными процессами, и антропогенные (техногенные), являющиеся результатом деятельности человека.

К числу естественных источников загрязнения атмосферного воздуха относят пыльные бури, массивы зеленых насаждений в период цветения, степные и лесные пожары, извержения вулканов. К примесям, выделяемым естественными источниками, относят пыль растительного, вулканического, космического происхождения, продукты эрозии почвы, частицы морской соли, туманы, дым и газы от лесных и степных пожаров, газы вулканического происхождения, продукты растительного, животного,

бактериального происхождения. Естественные источники обычно бывают распределенными и действуют сравнительно кратковременно. Уровень загрязнения атмосферы естественными источниками является фоновым и носит сезонный характер. Наибольшее загрязнение атмосферы естественными источниками наблюдается в весенне-летний период. Этот период характеризуется высокой интенсивностью солнечной радиации, способствующей образованию вторичных продуктов, обладающих часто более токсичными свойствами, чем первичные загрязнители, и высоким содержанием взвешенных частиц в атмосфере, обусловленным переносом воздушными потоками пыли с газонов, полей (отсутствие зелени в весенний период) и автотранспортом с проезжей части улиц [126].

Антропогенные источники загрязнения атмосферного воздуха, представленные главным образом выбросами промышленных предприятий и автотранспорта, отличаются многочисленностью и многообразием видов: точечные, линейные, площадные, наземные, воздушные, организованные и неорганизованные.

Как правило, крупные города являются развитыми центрами промышленности, поэтому существенный вклад в загрязнение воздушного пространства города вносят различного рода предприятия. К основным отраслям промышленности, выбрасывающих загрязняющие вещества в атмосферу, относятся:

а) теплоэнергетика. Энергетические установки, сжигающие ископаемое топливо, выбрасывают в атмосферу продукты сгорания, в которых содержится большое количество загрязняющих веществ (оксид серы и азота, а также оксиды железа, алюминия, магния, калия). Теплоэнергетика занимает одно из первых мест по объему выбросов вредных веществ в атмосферу. Ее доля составляет 27% от общего числа выбросов в атмосферу всеми отраслями промышленности [72];

б) цветная металлургия. Существенный вклад в загрязнение воздушного бассейна предприятиями цветной металлургии вносят заводы по

производству алюминия. При производстве алюминия в атмосферу поступают оксид алюминия, фториды натрия и алюминия, а также соединения серы. Доля выбросов загрязняющих веществ предприятиями цветной металлургии составляет 17% [72];

в) черная металлургия. Предприятия черной металлургии оказывают крайне негативное воздействие на состояние атмосферного воздуха крупных городов. Основными источниками образования и выбросов в атмосферу загрязняющих веществ данной промышленности являются следующие технологические процессы: подготовка сырья (обогащение, агломерация), производство кокса, доменное производство, производство стали, производство проката. На долю черной металлургии приходится 15% от общего числа выбросов вредных веществ в атмосферу, основными из которых являются углекислый газ, оксид углерода, угарный газ, азот и оксид серы [72];

г) машиностроение. На машиностроительных предприятиях основными источниками загрязнения атмосферы являются следующие виды производства: сварка и тепловая резка металла (в воздух выделяется сварочный аэрозоль, в состав которого входят оксиды металлов, фтористый водород, оксиды азота и углерода), литейное производство (угарный газ), механическая обработка металлов, нанесение лакокрасочных покрытий. На машиностроение приходится 13% от общего количества выбросов среди всех отраслей промышленности [72];

д) строительство. При производстве кирпича, цемен