Моделювання забруднення довкілля в разі емісії аміаку з пошкодженого трубопроводу
Loading...
Date
2021
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпро
Abstract
UK: Мета. Ця робота передбачає розробку гідравлічної моделі для розрахунку нестаціонарного витоку аміаку з пошкодженого трубопроводу та імплементацію цієї моделі в чисельну модель прогнозу аварійного забруднення атмосфери. Методика. Для розв’язання поставленої задачі використано розрахункові залежності гідравліки напірних потоків. Для розрахунку процесу випарювання аміаку з пошкодженого трубопроводу також використано емпіричну модель. Для розрахунку процесу розповсюдження аміаку в атмосферному повітрі використано тривимірне рівняння конвективно-дифузійного переносу домішки. Під час математичного моделювання розповсюдження аміаку з пошкодженого трубопроводу враховано зміну з висотою швидкості вітрового потоку, а також зміну з висотою вертикального коефіцієнта атмосферної дифузії, динаміку зміни з часом інтенсивності витоку аміаку з пошкодженого трубопроводу. Для чисельного розв’язання тривимірного диференціального рівняння переносу аміаку в атмосферному повітрі здійснено його фізичне розщеплення: виділено рівняння, що описує перенос домішки за рахунок конвекції, рівняння, що описує перенос домішки за рахунок атмосферної дифузії, та рівняння, що описує зміну концентрації аміаку в повітрі внаслідок дії джерела емісії. Для чисельного інтегрування рівняння конвективного переносу аміаку в повітрі використано метод Мак-Кормака, рівняння дифузійного переносу домішки – метод Річардсона, рівняння, що описує зміну концентрації аміаку під дією джерела емісії, – метод Ейлера. Результати. На основі розробленої моделі нестаціонарного витоку аміаку з пошкодженого трубопроводу та чисельної моделі розповсюдження аміаку в атмосферному повітрі проведено обчислювальний експеримент для оцінки рівня забруднення атмосферного повіт-ря та підстильної поверхні у випадку аварійного витоку аміаку на ділянці, де аміакопровід «Тольятті – Одеса» перетинає річку Дніпро. Отримано дані щодо нестаціонарного забруднення довкілля. Наукова новизна. Розроблено математичну модель, що дозволяє розраховувати нестаціонарний процес витоку аміаку з пошкодженого трубопроводу. Запропоновано чисельну модель для визначення областей забруднення в разі аварійного витоку аміаку з аміакопроводу «Тольятті – Одеса». Практична значимість. На базі розробленої моделі створено код, що дозволяє оперативно прогнозувати динаміку забруднення навколишнього середовища за аварійного витоку аміаку. Запропонована математична модель може бути використана під час розробки плану ліквідації аварійної ситуації (ПЛАС) для хімічно небезпечних об’єктів.
EN: Purpose. This work provides for the development of a hydraulic model for calculating the unsteady ammonia outflow from a damaged pipeline and the implementation of this model into a numerical model for predicting emergency air pollution. Methodology. To solve the problem, the calculated dependencies of the pressure flow hydraulics were used. An empirical model to calculate the evaporation of ammonia from a damaged pipeline was also used. To calculate the process of spreading ammonia in atmospheric air, a three-dimensional equation of convective-diffusion transfer of impurities was used. Mathematical modeling of the spread of ammonia from a damaged pipeline takes into account the change with height of the wind flow velocity, as well as the change with height of the vertical coefficient of atmospheric diffusion, the dynamics of changes over time in the intensity of ammonia leakage from the damaged pipeline. For the numerical solution of the three-dimensional differential equation for the transfer of ammonia in atmospheric air, its physical splitting is carried out: an equation that describes the transport of an impurity due to convection is singled out separately, an equation that describes the transport of an impurity due to atmospheric diffusion and separately an equation that describes a change in the ammonia concentration in air due to the action of the emission source. The McCormack method is used to numerically integrate the equation for the convective transfer of ammonia in air. The Richardson method is used to numerically integrate the equation of diffusion transfer of an impurity. The Euler method is used to numerically integrate the equation that describes the change in ammonia concentration under the influence of an emission source. Findings. Based on the developed model of unsteady ammonia outflow from the damaged pipeline and the created numerical model of ammonia propagation in the atmospheric air, a computational experiment was carried out to assess the level of atmospheric air and underlying surface pollution in the event of an emergency ammonia outflow in the section where the Tolyatti – Odessa ammonia pipeline crosses the Dnipro River. Data on non-stationary environmental pollution were obtained. Originality. A mathematical model that allows calculating the unsteady process of ammonia outflow from a damaged pipeline has been developed. A numerical model is proposed to determine the areas of contamination during an emergency ammonia outflow from the Tolyatti – Odessa ammonia pipeline. Practical value. Based on the developed model, a code has been created that makes it possible to promptly predict the environmental pollution dynamics during an emergency ammonia outflow. The proposed mathematical model can be used in the development of emergency response plan for chemically hazardous facilities.
EN: Purpose. This work provides for the development of a hydraulic model for calculating the unsteady ammonia outflow from a damaged pipeline and the implementation of this model into a numerical model for predicting emergency air pollution. Methodology. To solve the problem, the calculated dependencies of the pressure flow hydraulics were used. An empirical model to calculate the evaporation of ammonia from a damaged pipeline was also used. To calculate the process of spreading ammonia in atmospheric air, a three-dimensional equation of convective-diffusion transfer of impurities was used. Mathematical modeling of the spread of ammonia from a damaged pipeline takes into account the change with height of the wind flow velocity, as well as the change with height of the vertical coefficient of atmospheric diffusion, the dynamics of changes over time in the intensity of ammonia leakage from the damaged pipeline. For the numerical solution of the three-dimensional differential equation for the transfer of ammonia in atmospheric air, its physical splitting is carried out: an equation that describes the transport of an impurity due to convection is singled out separately, an equation that describes the transport of an impurity due to atmospheric diffusion and separately an equation that describes a change in the ammonia concentration in air due to the action of the emission source. The McCormack method is used to numerically integrate the equation for the convective transfer of ammonia in air. The Richardson method is used to numerically integrate the equation of diffusion transfer of an impurity. The Euler method is used to numerically integrate the equation that describes the change in ammonia concentration under the influence of an emission source. Findings. Based on the developed model of unsteady ammonia outflow from the damaged pipeline and the created numerical model of ammonia propagation in the atmospheric air, a computational experiment was carried out to assess the level of atmospheric air and underlying surface pollution in the event of an emergency ammonia outflow in the section where the Tolyatti – Odessa ammonia pipeline crosses the Dnipro River. Data on non-stationary environmental pollution were obtained. Originality. A mathematical model that allows calculating the unsteady process of ammonia outflow from a damaged pipeline has been developed. A numerical model is proposed to determine the areas of contamination during an emergency ammonia outflow from the Tolyatti – Odessa ammonia pipeline. Practical value. Based on the developed model, a code has been created that makes it possible to promptly predict the environmental pollution dynamics during an emergency ammonia outflow. The proposed mathematical model can be used in the development of emergency response plan for chemically hazardous facilities.
Description
Л. Амеліна: ORCID 0000-0002-8525-7096; М. Біляєв: ORCID 0000-0002-1531-7882; О. Берлов: ORCID 0000-0002-7442-0548; О. Вергун: ORCID 0000-0003-4842-1069; T. Русакова: ORCID 0000-0001-5526-3578
Keywords
аміакопровід, хімічне забруднення атмосфери, аварійна емісія, математичне моделювання, ammonia pipeline, chemical atmosphere pollution, emergency emission, mathematical modeling, КГВ
Citation
Амеліна Л. В., Біляєв М. М., Берлов О. В., Вергун О. О., Русакова Т. І. Моделювання забруднення довкілля в разі емісії аміаку з пошкодженого трубопроводу. Наука та прогрес транспорту. 2021. № 1 (91). С. 5–14. DOI: 10.15802/stp2021/229167.