Математическое моделирование процессов движения воздушной среды и загрязняющих веществ в условиях городской застройки
Диссертация
Актуальность проблемы. В настоящее время проблема загрязнения атмосферы городов стоит очень остро. Численность городского населения стремительно увеличивается вместе с ростом количества промышленных предприятий и автотранспортных единиц. Несмотря на активное продвижение альтернативных источников энергии, в ближайшие 10−15 лет не предвидится изменения структуры потребления энергоресурсов… Читать ещё >
Содержание
- ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПРИЗЕМНОЙ АЭРОДИНАМИКИ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ГОРОДСКОЙ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ
- 1. 1. Краткий обзор существующих моделей
- 1. 2. Структура приземного слоя атмосферы города
- 1. 3. Постановка задачи приземной аэродинамики в несжимаемом случае
- 1. 4. Начальные и граничные условия задачи приземной аэродинамики
- 1. 5. Учет шероховатости поверхностей
- 1. 6. Постановка задачи распространения загрязняющего вещества в условиях городской застройки
- 1. 7. Начальные и граничные условия для задачи распространения вредной примеси
- 1. 8. Моделирование распространения примесей от линейного источника
- 1. 9. Модель несжимаемого течения атмосферного воздуха с учетом теплопереноса
- 1. 10. Уравнение переноса тепла в приземном слое атмосферы
- 1. 11. Безразмерная форма записи уравнений движения воздушной среды и транспорта тепла
- 1. 12. Граничные условия для задачи приземной аэродинамики с учетом транспорта тепла
- 1. 13. Математическая модель турбулентного течения атмосферного воздуха в условиях городской застройки на основе к-б
- 1. 14. к — е модель турбулентности
- 1. 15. Граничные условия для к —? модели. Низкорейнольдсовая к — е модель
- 1. 16. Учет эффекта плавучести в к — б модели
- 1. 17. Модель сжимаемой атмосферы в приземном слое
- 1. 18. Учет переноса влаги в модели сжимаемой атмосферы
- ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСКРЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ
- 2. 1. Сетки в декартовой системе координат
- 2. 2. Дискретизация уравнения неразрывности
- 2. 3. Дискретизация задачи распространения примеси
- 2. 4. Разнесенные и неразнесенные сетки
- 2. 5. Дискретизация уравнений движения на разнесенных сетках
- 2. 6. Дискретизация уравнений движения на неразнесенных сетках
- 2. 7. Дискретизация производной по времени
- 2. 8. Дискретные представления граничных условий и членов функций источников
- 2. 9. Граничные условия для уравнений движения
- 2. 10. Погрешность аппроксимации в задаче транспорта ЗВ
- 2. 11. Противопоточная аппроксимация конвективных слагаемых
- 2. 12. Центрально-разностная аппроксимация конвективных членов
- 2. 13. Аппроксимация диффузионных членов
- 2. 14. Уравнение переноса вредной примеси
- 2. 15. Вывод алгоритма SIMPLE для разнесенных сеток
- 2. 16. Алгоритм SIMPLE для неразнесенных сеток
- 2. 17. Консервативность разностных схем
- 2. 18. Доказательство устойчивости разностной схемы. Сеточный принцип максимума
- 2. 19. Дискретизация уравнений к — б модели турбулентности
- 2. 20. Дискретизация модели сжимаемой атмосферы
- 2. 21. Граничные условия для модели сжимаемой атмосферы
- ГЛАВА 3. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ВЕРИФИКАЦИЯ ПОСТРОЕННЫХ МОДЕЛЕЙ НА КЛАСТЕРЕ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ
- 3. 1. Описание процесса декомпозиции данных и процессов обмена
- 3. 2. Метод Стоуна (SIP — Strongly Implicit Procedure) для решения СЛАУ
- 3. 3. Параллельная реализация метода SIP
- 3. 4. Теоретические и практические оценки эффективности
- 3. 5. Верификация моделей приземной аэродинамики и распространения ЗВ
- 3. 6. Комплекс программ и результаты моделирования
- 3. 7. Описание работы препроцессора
- 3. 8. Описание работы процессора
- 3. 9. Результаты численных экспериментов
Список литературы
- Тематический выпуск: «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении». Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. — № 2 (91).-С. 8−14.
- Сухинов А.И., Гадельшин В. К., Любомищенко Д. С. 3D модель переноса загрязняющих веществ от автомобилей в воздушной среде города // Известия МГТУ «МАМИ». Научный рецензируемый журнал. -М. МГТУ «МАМИ», 2008. -№ 1 (5).-С. 114−118.
- Сухинов А.И., Гадельшин В. К., Любомищенко Д. С. Моделирование турбулентного течения воздуха в условиях городской застройки //
- Материалы второй международной научной конференции «Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования». -Воронеж: Изд-во ВГУ,-2007. С. 1.
- Anderson, D. A., Tannehill, J. С. and Pletcher, R. H. Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer, Hemisphere Publishing Corporation, Taylor & Francis Group, New York, 1984.
- Baklanov, A. and Grisogono, B. (Eds): Atmospheric Boundary Layers: Nature, Theory and Applications to Environmental Modelling and Security, Springer, New York, 241 pp., 2007
- Cebeci, T. and Smith, AMO Analysis of Turbulent Boundary Layers, Applied Mathematics and Mechanics, -1974. Vol. 15, Academic Press, New York.
- Date A.W. Introduction to Computational Fluid Dynamics, Cambridge Univ. Press, 2005. -398 p.
- Demirdzic, I. and Muzaferija, S., Numerical Method for Coupled Fluid Flow, Heat Transfer and Stress Analysis Using Unstructured Moving Meshes with Cells of Arbitrary Topology, Comput. Methods Appl. Mech. Eng.,-1995. Vol. 125, pp. 235−255.
- Ferziger J., Peric M. Computational Methods for Fluid Dynamics 3., rev. ed. — Berlin- Heidelberg- New York- Barcelona- Hong Kong- London- Milan- Paris- Tokyo: Springer, 2002. 423 p.
- Fletcher, C. A. J. Computational Techniques for Fluid Dynamics, Volumes I and II, Springer-Verlag, Berlin, 1991.
- Kaimal J.C., Finnigan J.J. Atmospheric boundary layer flows, their structure and measurements. New York, Oxford: Oxford Univ. Press, — 1994. -P. 289.
- Kasibhatla P. S., Peters L.K., Fairweather G. Numerical simulation o transport from infinite line source: Error analysis // Atmos. Environ. 1998. №.7. -P. 75−825.
- Materials of IEAI Meeting. 1987, Chapter 3. P. 26.
- McNider R.T., Moran M.D. and Pielke R.A. Influence of diurnal and internal boundary layer oscillations on long-range dispersion // Atmospheric Environment. 1988. Nol 1. P. 2445−2462.
- Minkowycz, W. J., Sparrow, E. M., Schnieder, G. E., and Pletcher, R. H. Numerical Heat Transfer, Wiley, New York, 1988.
- Mlakar P., Boznar M., Breznik B., Kovac A. Modelling of air pollutant releases from the Krasko Nuclear Power Plant // 4 Regional meeting Nuclear Energy in Central Europe, September 7−10, 1997, Bled, Slovenia. 1997. pp. 137 144.
- Monin, A. S. and Yaglom, A. M. Statistical fluid mechanics: mechanics of turbulence, -1971. Vol. 1, MIT Press, Cambridge, MA
- Mott D. R., Kaplan C. R. and Oran E. S. A Robust Solver for Incompressible Flow on Cartesian Grids with Colocated Variables, NRL Technical Memorandum Report NRL/MR/6404−05−8858, 2005.
- Moukalled F. A High-Resolution Pressure-Based Algorithm for Fluid Flow at All Speeds // Journal of Computational Physics, 1999. Vol. 168, issue 1. pp. 101−133
- Physic W.L. LADM: Lagrangian Atmospheric Dispersion Model. CSIRO. Division of Atmospheric Research. 1994. Technical Paper № 24.
- Schlichting H. Boundary-Layer Theory, 7 Ed., English translation by Kestin J., McGrow-Hill, New York, 1979. -523 p.
- Stone, H. L. Iterative Solution of Implicit Approximations of Multidimensional Partial Differential Equations, SIAM J. Numerical Anal., 1968. Vol. 5, pp. 530−558.
- Sutton O.G. Micrometeorology, A Study of Physical Processes in the Lowest Layers of the Earth’s Atmosphere, New York, McGraw-Hill Book Co., 1953.
- Uliasz M. The atmospheric mesoscale dispersion modeling system // J. of Applied Meteorology. -1993. Vol. 32. P. 139−149.
- Vallis, G. K. Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics: Fundamentals and Large-scale Circulation. Cambridge University Press, 2006. 745 pp.
- Versteeg H. K, Malasekera W., An Introduction to Computational Fluid Dynamics, Longman, 1995.
- White, F. Viscous Fluid Flow, 2nd ed., McGraw-Hill, New York, 1991.
- Wilcox D.C. Turbulence Modelling for CFD, DCW Industries, California, USA, 1994. -460 p.
- Аргучинцев В.К. Моделирование мезомасштабных гидротермодинамических процессов и переноса антропогенных примесей в атмосфере и гидросфере региона оз. Байкал / В. К. Аргучинцев, А. В. Аргучинцева. Иркутск: Изд-во Иркут. гос. ун-та, 2007. — 255 с.
- Аргучинцев В.К. О распределении газовых примесей Иркутского Л.М. Галкин промузла В. К. Аргучинцев, А. В. Аргучинцева, География и природные ресурсы. 1992. 3. 56−59.
- Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей. Под ред. Ф.Т. М. Ньистадта и X. Ван Допа. JL: Гидрометеоиздат, 1985.351 с.
- Бахвалов Н. С, Жидков Н. П., Кобельков Г. М. Численные методы. -М.: Наука, 1987.-600 с.
- Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах: Результаты экспер. исслед. -Л.:Гидрометеоиздат, 1986. -199 с.
- Беккер A.A., Агаев Т. Б. Охрана и контроль загрязнений природной среды.-Л.: Гидрометеоиздат, 1989.-432 с.
- Белов И.В., Беспалов М. С., Клочкова Л. В., Кулешов A.A., Сузан Д. В., Тишкин В. Ф. Транспортная модель распространения газообразных примесей в атмосфере города // Математическое моделирование. 2000. Т. 12, № 11. -С. 38−46.
- Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике-сплошных сред. М.: Наука, 1994. 520 с.
- Белоцерковский О.М., Гущин В. А., Коныпин В. Н. МетодIрасщепления для исследования течений стратифицированной жидкости со свободной поверхностью // Ж. Вычисл. матем. и матем. физ. — 1987. — Т.27. — № 4. С. 594−609.
- Белоцерковский О.М., Давыдов Ю. М. Метод крупных частиц в газовой динамике. -М.: Наука, 1982. —391 с.
- Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1985.-271 с.
- Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. — 448 с.
- Бояршинов М.Г. Эколого-информационные технологии: моделирование переноса газовой смеси через область, содержащую растительный массив // Ж. инженерная экология. 1999. № 5. — С. 41−45.1. П)
- Вабищевич П.Н., Казакова JI.K. Эволюция слоистообразной облачности под влиянием орографии // Математическое моделирование. 1999. Т.П. № 9. С. 23−37.
- Вабищевич П.Н., Самарский А. А. Разностные схемы для нестационарных задач конвекции-диффузии // Ж. Вычисл. матем. и матем. физ. 1998.-Т.37.-С. 182−186.
- Васильев B.C., Сухинов А. И. О моделировании ветровых течений в Таганрогском заливе с использованием квазиоптимальных сеток // Областная научно-техническая конференция, посвященная дню радио. Ростов-на-Дону, 1993.-26 с.
- Геникович E. JL, Гущин В. А., Сонькин JI.P. О возможности прогноза загрязнения городского воздуха методом распознавания образов // Тр. гл. геофиз. Обсерватория. 1973. Выпуск 293. — С. 21−25.
- Гергель В.П. Теория и практика параллельных вычислений: учебное пособие /В.П. Гергель. -М.: Интернет-Университет Информационных Технологий- БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. -423 с.
- ГОСТ 17.23.01−50. Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных пунктов. М.: Изд-во стандартов, 1987. 5 с. 60.
- Демидович Б.П. Основы вычислительной математики / Б. П. Демидович, И. А. Марон. М.: Наука, 1970. 664 с.
- Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды.- М.: Гидрометеоиздат, 1984.-560 с. 64.' Калиткин Н. Н. Численные методы / Н. Н. Калиткин. М.: Наука, 1978. 512 с.
- Карта Таганрога Электронный ресурс. Сайт planetolog.ru — Режим доступа: http://douala.ru/map-city-zoom.php?country=RU&city=TAGRU& scheme=l. Дата доступа: 25.10.2010. Загл. с экрана. -Яз. рус.
- Колдоба A.B., Повещенко Ю. А., Самарская Е. А., Тишкин В. Ф. Методы математического моделирования окружающей среды. —М., Наука, 2000.
- Корнеев В. В. Параллельные вычислительные системы М.: Ноледж, 1999. 320с.
- Кочин Н.Е., Кибель И. А., Розе Н. В. Теоретическая гидромеханика. -М.: Физматгиз, 1963 Т. 1. -391с.
- Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. -М.: Наука, 1970. -904 с.
- Марчук Г. И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. -М.: Наука, 1982. 319 с.
- Марчук Г. И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1989. — 608с.
- Марчук Г. И. Методы расщепления. -М.: Наука, 1988. -567 с.
- Марчук Г. И. Численные методы в прогнозе погоды. —Л.: Гидрометеоиздат, 1967. 356 с.
- Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. —Л.: Гидрометеоиздат, 1984.-751 с.
- Матвеев Л.Т. Физика атмосферы. -М.: Наука, 1982. 200 с.
- Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (ОНД-86). Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 94 с.
- Методика расчетов выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях. -М.: НИИАТ, 1997. 54 с.
- Моделирование и вычислительный эксперимент в задачах механики сплошных сред / Под ред. A.B. Белоконя и A.B. Наседкина. Т. 1 / Н. С. Бузало, B.C. Васильев, В. К. Гаделыпин, К. А. Надолин, А. Н. Никифоров. Ростов-на-Дону: Изд-во «ЦВВР», 2006. 169 с.
- Моделирование турбулентных течений: Учебное пособие / И. А. Белов, С. А Исаев, Балт. Гос. Техн. Ун-т. СПб., 2001. 108 с.
- Обухов A.M. Турбулентность и динамика атмосферы.-Л.:Гидрометеоиздат, 1988.-413 с.
- Патанкар С.В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах: Пер. с англ. Е.В. Калабина- под ред. Г. Г. Янькова. —М.: Издательство МЭИ, 2003. -312 с.
- Роуч П. Вычислительная гидродинамика. Пер. с англ. -М.: Мир, 1980. -616 с.
- Самарская Е.А., Сузан Д. В., Тишкин В. Ф. Построение математической модели распространения загрязнений в атмосфере // Математическое моделирование. 1997. Т. 9, № 11. — С. 59−71.
- Самарский A.A. Математическое моделирование и вычислительныйэксперимент // Вести АН СССР. 1979. — № 5. — С. 38−49.
- Самарский A.A. О монотонных разностных схемах для эллиптических и параболических уравнений в случае несамосопряженного эллиптического оператора // Журн. вычисл. математики и мат. физики. — 1965. — Т. 5. — С. 548−551.
- Самарский A.A. Теория разностных схем. -М.: Наука, 1977. -653 с.
- Самарский A.A., Вабищевич П. Н. Аддитивные схемы для задач математической физики. -М.: Наука, 1999. -391с.
- Самарский A.A., Вабищевич П. Н. Численные методы решения задач конвекции-диффузии. -М.: Эдиториал УРСС, 1999. -248с.
- Самарский A.A., Гулин A.B. Устойчивость разностных схем. -М.: Наука, 1973.-415 с.
- Самарский A.A., Николаев Е. С. Методы решения сеточных уравнений. -М.: Наука, 1978. -588 с.
- Самарский A.A., Попов Ю. П. Разностные схемы газовой динамики. -М.: Наука, 1975. -350 с.
- Самарский, A.A. Численные методы решения задач конвекции — диффузии Текст. / A.A. Самарский, П. Н. Вабищевич. М.: Эдиториал УРСС, 1999.-247 с.
- Сеттон О.Г. Микрометеорология. Пер. с англ. —JL: Гидрометеоиздат, 1958.-356 с.
- Сухинов А.И. Двумерные схемы расщепления и некоторые их приложения. -М.: МАКС Пресс, 2005. 408 с.
- Уорк К., Уорнер С. Загрязнение воздуха, источники и контроль. -М: Мир, 1980.-539 с.