Двовимірна модель та метод розрахунку переносу забруднюючих речовин у відкритих потоках - Автореферат

Особлива небезпека наслідків забруднення природних вод полягає у тому, що забруднюючі речовини, коли потрапляють в ріки, переносяться на великі відстані від місця їхнього викиду. Для організації ефективних заходів щодо охорони рік від забруднення стічними водами і викидами, необхідно знати закономірності переносу забруднюючих речовин у відкритих потоках у основній зоні змішування. Сучасний рівень моделювання турбулентності та обчислювальної гідродинаміки дає можливість створити й реалізувати модель, яка б, між іншим, враховувала нерівномірність розподілу турбулентних скалярних потоків і напружень у річковому потоці, що дозволить отримати достовірні поля розподілу швидкостей і концентрацій для рішення екологічних задач. Тому розробка двовимірної моделі і методу розрахунку переносу консервативних забруднюючих речовин у відкритих потоках з урахуванням анізотропних властивостей турбулентних течій є актуальною задачею, що становить науковий і практичний інтерес. Мета досліджень - розробити двовимірну математичну модель переносу консервативних забруднюючих речовин у природних водотоках з урахуванням анізотропних властивостей турбулентних течій і методу її реалізації.У першому розділі наведено аналіз стану екології водних обєктів України та огляд методів розвязання задачі переносу забруднюючих речовин у водотоках. Проаналізовано різноманітні методи визначення концентрацій забруднюючих речовин в водотоках і відповідні системи рівнянь, а також наведено огляд моделей замикання рівнянь руху і переносу забруднюючих речовин. Математичні моделі, що описують перенос забруднюючих речовин, засновані на рівняннях руху, нерозривності і турбулентної дифузії, розвязання яких становить проблему замикання. В той же час стрибкоподібна зміна глибини русла, різнорідна шорсткість, що властива річковим потокам, вплив штучних споруд зумовлює нерівномірність розподілу напружень Рейнольдса і турбулентних потоків забруднюючих речовин, зміну їх значень у просторі. Процеси розповсюдження забруднюючих речовин в цій зоні, з огляду на те, що вертикальні розміри річкового потоку істотно менше за горизонтальні, можна розглядати в двовимірній ідеалізації, що в свою чергу дозволяє значно спростити вихідні тривимірні рівняння.У дисертаційній роботі приведене нове вирішення наукової задачі, що полягає в розробці математичної моделі, яка описує процес переносу забруднюючих речовин у відкритих потоках, і методу її реалізації, що дозволяє більш точно описувати реальні фізичні процеси й одержувати достовірні розрахункові дані. Запропонований метод дає можливість визначати закономірності переносу забруднюючих речовин у водотоках і здійснювати екологічну оцінку проектів обєктів дорожньо-будівельного комплексу. У той же час існуючі математичні моделі або носять емпіричний характер, або не враховують ряд істотних для річкового потоку факторів, що не дозволяє коректно описувати реальні процеси переносу забруднюючих речовин у водотоках. Тому розробка математичної моделі, що описує процес переносу забруднюючих речовин у водотоках з урахуванням анізотропних властивостей відкритого потоку, і методу розрахунку є актуальною науковою задачею, що має важливе практичне значення. Запропоновано метод розрахунку математичних моделей, який дозволяє адекватно враховувати складну геометрію водотоків, на основі модифікованого кінцево-різницевого методу типу предиктор-коректор по явній схемі Мак-Кормака, методу послідовної верхньої релаксації.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертаційній роботі приведене нове вирішення наукової задачі, що полягає в розробці математичної моделі, яка описує процес переносу забруднюючих речовин у відкритих потоках, і методу її реалізації, що дозволяє більш точно описувати реальні фізичні процеси й одержувати достовірні розрахункові дані. Запропонований метод дає можливість визначати закономірності переносу забруднюючих речовин у водотоках і здійснювати екологічну оцінку проектів обєктів дорожньо-будівельного комплексу.

За результатами виконаної дисертаційної роботи можна сформулювати наступні висновки.

1. Екологічна обстановка, що склалася в Україні за останні десятиліття, обумовлює необхідність підвищення ефективності заходів щодо охорони навколишнього середовища. Для розробки природоохоронних заходів водних джерел необхідно знання закономірностей поширення забруднюючих речовин у водотоках. У той же час існуючі математичні моделі або носять емпіричний характер, або не враховують ряд істотних для річкового потоку факторів, що не дозволяє коректно описувати реальні процеси переносу забруднюючих речовин у водотоках. Тому розробка математичної моделі, що описує процес переносу забруднюючих речовин у водотоках з урахуванням анізотропних властивостей відкритого потоку, і методу розрахунку є актуальною науковою задачею, що має важливе практичне значення.

2. Розроблено двовимірну модель процесу переносу забруднюючих речовин у рівнинних ріках ( від 10000 до 770000, , ), особливістю якої є врахування анізотропного стану відкритого потоку, що обумовлений складною морфологією річок, нерівномірністю розподілу по вертикалі осереднених швидкостей і концентрацій, характером опору на дні при русі потоку, явищами відриву.

3. Вперше запропоновано при вирішення двовимірної задачі використовувати разом для визначення напружень Рейнольдса і турбулентних скалярних потоків отримані в роботі алгебраїчні співвідношення для турбулентних напружень і потоків речовин та двопараметричну дисипативну модель турбулентності, що дозволило реалістично описати турбулентні процеси.

4. Запропоновано метод розрахунку математичних моделей, який дозволяє адекватно враховувати складну геометрію водотоків, на основі модифікованого кінцево-різницевого методу типу предиктор-коректор по явній схемі Мак-Кормака, методу послідовної верхньої релаксації. Для одержання однозначного рішення конкретної задачі сформульовані крайові умови для всіх можливих границь розрахункової області.

5. Для перевірки адекватності запропонованого методу розрахунку переносу забруднюючих речовин у водотоках було проведене зіставлення розрахункових даних з експериментальними і тестовими даними (дослідження проводилися при 0.001…0.016, 16285…65399). Проведений аналіз показує достатньо задовільну збіжність отриманих розрахункових даних і результатів експериментальних досліджень, максимальна відносна похибка не перевищує 23%, що свідчить про адекватність запропонованих моделей.

6. Розроблена модель переносу забруднюючих речовин і метод її реалізації використовувалися інститутом "Укрдіпродор" при проектуванні мостового переходу через р. Західний Буг, с. Ягодин, а також науково-виробничою фірмою "Мостобудсервіс" при розробці проекту капітального ремонту мостового переходу через р. Дністер, м. Хотин. Запропонований в роботі метод визначення процесу переносу забруднюючих речовин в основній зоні змішування в природних водотоках рекомендується використовувати при екологічному обґрунтуванні й оцінці проектів будівництва і реконструкції обєктів дорожньо-будівельного комплексу.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. Савенко В.Я., Савина М.Ю. Математическая модель переноса загрязняющих субстанций в плановой задаче // Технологии в машиностроении / Вестник Национального технического университета “Харьковский политехнический институт”. - 2001. - Вып.129. - Часть 1. - С. 317-322.

2. Савенко В.Я., Савіна М.Ю. Чисельна реалізація двовимірної моделі переносу забруднюючих субстанцій у відкритих водотоках // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво: Міжвід. наук-техн. зб. - 2001. - Вип. 61. - С. 180-185.

3.Славінська О.С., Савіна М.Ю. Математичне моделювання переносу забруднень у двовимірних відкритих потоках з урахуванням анізотропії турбулентної дифузії // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво: Міжвід. наук.-техн. зб. - 2001. - Вип. 62. - С. 247-252.

4. Савина М.Ю. Учет экологических факторов при проектировании мостовых переходов // Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення / Автомобільні дороги і дорожнє будівництво: Міжвід. наук.-техн. зб. - 2002. - Вип. 64. - С. 212-214.

5. Щодро О.Є., Савіна М.Ю. Експериментальні і теоретичні дослідження структури забрудненого водного потоку за вихоровим водовипуском // Водне господарство України. - 2002. - №3-4. - С. 23-25.

6. Щодро А.Е., Савина М.Ю. Калибровка математических моделей распостранения загрязняющих веществ и деформаций дна за вихревым водовыпуском // Вісник Українського державного університету водного господарства та природокористування: Зб. наук. праць. -2002. - Вип. 4 (17). - С. 145-152.

7. Савина М.Ю. Методика оценки влияния мостовых переходов на качество воды в реках // Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення / Автомобільні дороги і дорожнє будівництво: Міжвід. наук-техн. зб. - 2002. - Вип. 65. - С. 111-116.