Прогноз загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта с учетом химической трансформации вредных веществ
Loading...
Date
2017
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, Днипро
Abstract
RU: Цель. Научная работа предполагает разработку 3D-численных моделей, которые позволят рассчитывать процесс загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта с учетом химической трансформации вредных веществ. Также необходимо рассмотреть создание численных моделей, которые давали бы возможность прогнозировать уровень загрязнения атмосферного воздуха в условиях городской застройки. Методика. Для решения задачи по оценке уровня загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта задействованы уравнения аэродинамики и массопереноса. Для решения дифференциальных уравнений аэродинамики и массопереноса используются конечно-разностные методы. Для численного интегрирования уравнения потенциала скорости применяется метод условной аппроксимации. Уравнение для потенциала скорости, записанное в разностном виде, разделяется на два уравнения, причем на каждом шаге разделения неизвестное значение потенциала скорости определяется по явной схеме бегущего счета, при этом сама разностная схема – неявная. Для численного интегрирования уравнения рассеивания выбросов в атмосфере применяется неявная попеременно-треугольная разностная схема расщепления. Выбросы от автотрассы моделируются серией точечных источников заданной интенсивности. Разработанные численные модели составляют основу созданного пакета прикладных программ. Результаты. Авторами созданы 3D-численные модели, которые относятся к классу «diagnostic models». Данные модели учитывают основные физические факторы, влияющие на процесс рассеивания вредных веществ в атмосфере при выбросах от автотранспорта с учетом химической трансформации вредных веществ. На основе построенных численных моделей проведен вычислительный эксперимент по оценке уровня загрязнения воздушной среды на улице. Научная новизна. Разработаны численные модели, которые позволяют рассчитать 3D аэродинамику ветрового потока в условиях городской застройки и процесс массопереноса выбросов от автотрассы. Модели позволяют учитывать химическую трансформацию выбросов в атмосфере. Выполнены расчеты по определению зоны загрязнения, которая формируется возле зданий, расположенных вдоль автомагистрали. Практическая значимость. Рассмотрены эффективные численные модели, которые могут быть применены при разработке мероприятий по охране окружающей среды при эксплуатации автомобильного транспорта в городе. Разработанные модели позволяют оценить размеры, форму и интенсивность зоны загрязнения возле автомагистрали.
UK: Мета. Наукова робота передбачає розробку 3D чисельних моделей, які дозволять розраховувати процес забруднення атмосферного повітря викидами автотранспорту з урахуванням хімічної трансформації шкідливих речовин. Також необхідно розглянути створення чисельних моделей, які давали б можливість прогнозувати рівень забруднення атмосферного повітря в умовах міської забудови. Методика. Для вирішення задачі по оцінці рівня забруднення атмосферного повітря викидами автотранспорту використовуються рівняння аеродинаміки та масопереносу. Для вирішення диференціальних рівнянь аеродинаміки та масопереносу задіяні кінцево-різницеві методи. Для чисельного інтегрування рівняння потенціалу швидкості застосовується метод умовної апроксимації. Рівняння для потенціалу швидкості, записане в різницевому вигляді, розділяються на два рівняння, причому на кожному кроці розділення невідоме значення потенціалу швидкості визначається за явною схемою біжучого рахунку, при цьому сама різницева схема – неявна. Для чисельного інтегрування рівняння розсіювання викидів в атмосфері застосовується не- явна поперемінно-трикутна різницева схема розщеплення. Викиди від автотраси моделюються серією точкових джерел заданої інтенсивності. Розроблені чисельні моделі складають основу створеного пакета прикладних програм. Результати. Авторами створені 3D чисельні моделі, які відносяться до класу «diagnostic models». Дані моделі враховують основні фізичні фактори, що впливають на процес розсіювання шкідливих речовин в атмосфері при викидах від автотранспорту з урахуванням хімічної трансформації шкідливих речовин. На основі побудованих чисельних моделей проведено обчислювальний експеримент по оцінці рівня забруднення повітряного середовища на вулиці. Наукова новизна. Розроблено чисельні моделі, які дозволяють розрахувати 3D аеродинаміку вітрового потоку в умовах міської забудови та процес масопереносу викидів від автотраси. Моделі дозволяють враховувати хімічну трансформацію викидів в атмосфері. Виконано розрахунки по визначенню зони забруднення, яка формується біля будівель, розташованих вздовж автомагістралі. Практична значимість. Розглянуто ефективні чисельні моделі, які можуть бути застосовані при розробці заходів із охорони навколишнього середовища при експлуатації автомобільного транспорту в місті. Розроблені моделі дозволяють оцінити розміри, форму та інтенсивність зони забруднення біля автомагістралі.
EN: Purpose. Development of 3D numerical models, which allow us to calculate air pollution process from road transport emissions based on chemical transformation of pollutants. Creating numerical models, which would give the opportunity to predict the level of air pollution in urban areas. Methodology. To address the evaluation of the air pollution problem of emissions of vehicles the equations of aerodynamics and mass transfer were used. In order to solve differential equations of aerodynamics and mass transfer the finite difference methods are used. For the numerical integration of the equation for the velocity potential the method of conditional approximation was applied. The equation for the velocity potential written in difference form, is being split into two equations, and at each step of splitting the unknown value of the potential speed is determined by the explicit scheme of running account and the difference scheme itself is implicit. For the numerical integration of the equation of dispersion of emissions in the atmosphere is used implicit alternating-triangular difference splitting scheme. Emissions from the road are simulated by a series of point sources of a given intensity. The developed numerical models are the basis of established software package. Findings. There were developed 3D numerical models, which belong to the class «diagnostic models». These models take into account the main physical factors affecting the process of dispersion of pollutants in the atmosphere when emissions from road transport taking into account the chemical transformation of pollutants. On the basis of the constructed numerical models a computational experiment to assess the level of air pollution in the street was carried out. Originality. Numerical models that allow you to calculate the 3D aerodynamic of wind flow in urban areas and the process of mass transfer of emissions from the road were developed. The models make it possible to account the chemical transformation of emissions in the atmosphere. There were preformed the calculations to determine the contamination zone that formed near the buildings along the motorway. Practical value. There were considered efficient numerical models that can be used in the development of environmental protection measures in the operation of road transport in the city. The developed models allow us to estimate the size, shape and intensity of the contamination zone near the motorway.
UK: Мета. Наукова робота передбачає розробку 3D чисельних моделей, які дозволять розраховувати процес забруднення атмосферного повітря викидами автотранспорту з урахуванням хімічної трансформації шкідливих речовин. Також необхідно розглянути створення чисельних моделей, які давали б можливість прогнозувати рівень забруднення атмосферного повітря в умовах міської забудови. Методика. Для вирішення задачі по оцінці рівня забруднення атмосферного повітря викидами автотранспорту використовуються рівняння аеродинаміки та масопереносу. Для вирішення диференціальних рівнянь аеродинаміки та масопереносу задіяні кінцево-різницеві методи. Для чисельного інтегрування рівняння потенціалу швидкості застосовується метод умовної апроксимації. Рівняння для потенціалу швидкості, записане в різницевому вигляді, розділяються на два рівняння, причому на кожному кроці розділення невідоме значення потенціалу швидкості визначається за явною схемою біжучого рахунку, при цьому сама різницева схема – неявна. Для чисельного інтегрування рівняння розсіювання викидів в атмосфері застосовується не- явна поперемінно-трикутна різницева схема розщеплення. Викиди від автотраси моделюються серією точкових джерел заданої інтенсивності. Розроблені чисельні моделі складають основу створеного пакета прикладних програм. Результати. Авторами створені 3D чисельні моделі, які відносяться до класу «diagnostic models». Дані моделі враховують основні фізичні фактори, що впливають на процес розсіювання шкідливих речовин в атмосфері при викидах від автотранспорту з урахуванням хімічної трансформації шкідливих речовин. На основі побудованих чисельних моделей проведено обчислювальний експеримент по оцінці рівня забруднення повітряного середовища на вулиці. Наукова новизна. Розроблено чисельні моделі, які дозволяють розрахувати 3D аеродинаміку вітрового потоку в умовах міської забудови та процес масопереносу викидів від автотраси. Моделі дозволяють враховувати хімічну трансформацію викидів в атмосфері. Виконано розрахунки по визначенню зони забруднення, яка формується біля будівель, розташованих вздовж автомагістралі. Практична значимість. Розглянуто ефективні чисельні моделі, які можуть бути застосовані при розробці заходів із охорони навколишнього середовища при експлуатації автомобільного транспорту в місті. Розроблені моделі дозволяють оцінити розміри, форму та інтенсивність зони забруднення біля автомагістралі.
EN: Purpose. Development of 3D numerical models, which allow us to calculate air pollution process from road transport emissions based on chemical transformation of pollutants. Creating numerical models, which would give the opportunity to predict the level of air pollution in urban areas. Methodology. To address the evaluation of the air pollution problem of emissions of vehicles the equations of aerodynamics and mass transfer were used. In order to solve differential equations of aerodynamics and mass transfer the finite difference methods are used. For the numerical integration of the equation for the velocity potential the method of conditional approximation was applied. The equation for the velocity potential written in difference form, is being split into two equations, and at each step of splitting the unknown value of the potential speed is determined by the explicit scheme of running account and the difference scheme itself is implicit. For the numerical integration of the equation of dispersion of emissions in the atmosphere is used implicit alternating-triangular difference splitting scheme. Emissions from the road are simulated by a series of point sources of a given intensity. The developed numerical models are the basis of established software package. Findings. There were developed 3D numerical models, which belong to the class «diagnostic models». These models take into account the main physical factors affecting the process of dispersion of pollutants in the atmosphere when emissions from road transport taking into account the chemical transformation of pollutants. On the basis of the constructed numerical models a computational experiment to assess the level of air pollution in the street was carried out. Originality. Numerical models that allow you to calculate the 3D aerodynamic of wind flow in urban areas and the process of mass transfer of emissions from the road were developed. The models make it possible to account the chemical transformation of emissions in the atmosphere. There were preformed the calculations to determine the contamination zone that formed near the buildings along the motorway. Practical value. There were considered efficient numerical models that can be used in the development of environmental protection measures in the operation of road transport in the city. The developed models allow us to estimate the size, shape and intensity of the contamination zone near the motorway.
Description
Н. Беляев: ORCID 0000-0002-1531-7882; Е. Славинская: ORCID 0000-0001-5163-5645; Р. Кириченко: ORCID 0000-0001-9918-3895
Keywords
загрязнение атмосферы, автотранспорт, численное моделирование, химическая трансформация вредных веществ, забруднення атмосфери, автотранспорт, чисельне моделювання, хімічна трансформація шкідливих речовин, air pollution, vehicles, numerical modeling, chemical transformation of pollutants, КГВ
Citation
Беляев, Н. Н. Прогноз загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта с учетом химической трансформации вредных веществ / Н. Н. Беляев, Е. С. Славинская, Р. В. Кириченко // Наука та прогрес транспорту. – 2017. – № 3 (69). – С. 15–22. – doi 10.15802/stp2017/104549.