Моделирование распространения загрязнений в условиях городской застройки

В настоящее время очень остро стоит проблема загрязнения атмосферы городов. Постоянный рост численности городского населения, промышленных предприятий и автотранспортных единиц приводят к тому, что города являются основными зонами, в которых необходимо проводить мониторинг и оценку загрязнённости окружающей среды. Несмотря на активное продвижение альтернативных источников энергии, в ближайшие 10 лет не предвидится изменения структуры потребления энергоресурсов, и углеводороды будут доминировать в хозяйственной жизни планеты. В связи с компактностью современной городской инфраструктуры продукты сгорания углеводородов быстро попадают в зону активной жизнедеятельности людей. Промышленные предприятия и автотранспорт являются одними из основных источников загрязнения воздушной среды. В настоящий момент в городе Усть-Каменогорске существует автоматизированной системы наблюдений, которая состоит из 9 постов наблюдения, по данным которых можно произвести расчет распространения загрязнений. Создана система “ЭКО прогноз”, позволяющая по данным автоматизированной системы наблюдений за качеством воздуха выполнять моделирование процесса загрязнения атмосферного воздуха; локализацию источников выбросов; визуализацию полученных данных. Так как данная система будет функционировать для города, то необходимо использовать компьютерные модели, которые позволяют производить моделирование с достаточно крупным масштабом местности. Исходя из этого, необходимо разработать программное обеспечение, позволяющее производить расчет распространения загрязняющих веществ с учетом городской застройки. Даже при наличии сравнительно небольших возвышенностей существенно изменяется микроклимат в отдельных районах и характер рассеивания загрязнений. Так, в пониженных местах образуются застойные, плохо проветриваемые зоны с повышенной концентрацией загрязнений. Если на пути загрязненного потока находятся здания, то над зданием скорость воздушного потока увеличивается, сразу за зданием – снижается, постепенно увеличиваясь по мере удаления, и на некотором расстоянии от здания скорость потока воздуха принимает первоначальное значение. Заветренная сторона – очень часто является плохо проветриваемой зоной, образующейся при обтекании здания потоком воздуха. В зависимости от типа зданий и характера застройки образуются различные зоны с замкнутой циркуляцией воздуха, что может оказывать существенное влияние на распределение загрязнений. Только низкие источники эмиссии загрязняющих веществ, высота которых значительно не превышает высоты крыши здания, загрязняют циркуляционные зоны зданий. Проведенные исследования показывают, что в городской застройке возникают сильные циркулирующие вихри между зданиями [1]. Высота здания с расположенным на ней источником эмиссии загрязняющих веществ является главным фактором, который определяет вид потока. Форма распределения потока зависит от конфигурации застройки. Высота зданий, окружающих источник эмиссии, оказывает влияние на приток чистого воздуха внутрь застройки, соответственно средняя концентрация вредных веществ неоднородна.

Постановка задачи

Основной задачей проектируемой системы является разработка приложения необходимого для автономного управления программой моделированияCFDи извлечение выходных данных. Приложение должно иметь:

• Интерфейс управления входными данными модели;
• Корректный запуск всех компонентов модели;
• Корректное извлечение данных из выходного файла.

Методы решения задачи

Для расчета распространения загрязняющих веществ можно использовать готовое программное обеспечение, которое реализует в себе все необходимые математические модели и методы для корректного моделирования. К таким программным обеспечениям относятся PHOENICS и ANSYS Fluentи др. [2]

Программное обеспечение PHOE- NICS [3] –это многофункциональное программное обеспечение, позволяющее прогнозировать и формализовать описание, например, чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного и техногенного характера. Программа позволяет решать одно-, дву-и трехмерные задачи с учетом тепло и массопереноса, турбулентности, переноса энергии излучением и химических реакций. Данное программное обеспечение может быть использовано для изучения процессов тепло и массообмена в различных областях, для конструирования воздушного транспорта и оборудования, зданий и сооружений, прогнозирования загрязнения окружающей среды в различных средах, управления (если возможно) воздействия и опасности загрязнения окружающей среды. Графический редактор (VR–virtualreality) в составе PHOENICS позволяет задавать в расчетной области конструкции с необходимыми свойствами материалов, из которых они изготовлены. В соответствии с поставленной задачей имеется возможность определять необходимые для данной математической модели уравнения, начальные и граничные условия, задавать источниковые члены, описывающие изучаемый процесс. При этом PHOENICS генерирует специальный код, который пользователь может редактировать для задания новых условий и свойств математической модели решаемой задачи. Процесс распространения промышленно-транспортных загрязнений в атмосфере происходит по известному закону, описывающему, для некоторой точки у поверхности Земли изменение градиента концентрации примеси во времени и пространстве с учетом турбулентной диффузии воздушных масс [4].

В программном комплексе PHOENICS численно решаются обобщенные уравнения переноса субстанции (массы, импульса, тепла, кинетической энергии турбулентности и пр.). Рассмотрение дифференциальных уравнений, описывающих тепломассообмен и гидродинамику однои двухфазных сред, показывает, что зависимые переменные подчиняются обобщенному закону сохранения. Введение единой формы записи используемых уравнений позволяет развить единый метод их решения, постепенно усложняя его по мере учета отдельных членов общего уравнения. PHOENICS располагает широкой разновидностью интерполяционных формул, предлагаемых по умолчанию и на выбор.

Для решения задач расчета распространения загрязнений в условиях города также подходит программный модуль ANSYS Fluent [5]. Программный модуль ANSYS FLUENT имеет широкий спектр возможностей моделирования течений жидкостей и газов для промышленных задач с учетом турбулентности, теплообмена, химических реакций.

Интеграция ANSYSFluent в среду Workbench позволяет осуществлять двустороннюю связь с CAD-системами. Это позволяет в процессе расчета детализировать и оптимизировать модель.

Наиболее корректный способ оценки загрязнений состоит в моделировании воздушных течений в сложной трехмерной геометрии промплощадок на основе решения трехмерных уравнений Навье-Стокса (2) с соответствующими граничными условиями на твердых поверхностях и с использованием моделей турбулентности (CFD-кодов). Расчет распространения примесей в вычисленном ветровом поле производится на основе решения трехмерного уравнения адвекции-диффузии с коэффициентами турбулентного обмена, следующими из модели турбулентности.

В ANSYS Fluent присутствует наиболее широкий спектр разнообразных моделей турбулентности, включающий опробованные временем k-ε, k-ω и модель Рейнольдсовых напряжений (RSM) для сильно закрученных или анизотропных течений. Благодаря постоянному увеличению производительности компьютеров и уменьшению их стоимости, модели крупных вихрей (LES) и более экономичные модели не присоединённого вихря (DES) стали чрезвычайно популярны при решении промышленных задач. Новые инновационные модели позволяющие рассчитывать ламинарно-турбулентный переход и современная модель (SAS), автоматически определяющая масштаб турбулентных вихрей, обычно применяются в случаях, когда точности стационарных моделей турбулентности недостаточно. Различные пристеночные функции и метод enhanced wall treatment позволяют максимально точно описать потоки, ограниченные стенками.

Важным преимуществом ANSYS Fluent является возможность распараллеливания вычислений. FLUENT позволяет выполнять параллельные вычисления на Windows, Linux, и Unix платформах. При этом могут быть использованы многопроцессорные машины или кластеры.

Реализация

Для выполнения данной работы был выбран программный комплекс Ansys Fluent, так как он основан на объектноориентированной технологии программирования и построен с использованием архитектуры клиент-сервер. Он специально разработан (предназначен) для быстрой и эффективной обработки больших моделей с помощью уникальной архитектуры клиент-сервер, которая легко создает сетки и одновременно проводит решение и осуществляет пост-процессинг на различных вычислительных ресурсах, не требуя дополнительных усилий со стороны пользователя.

Архитектура программного обеспечения Ansys Fluent представлена в виде ядра программы, решателя и системы вводавывода для получения начальных данных и выгрузку полученных данных, для постобработки. Архитектура программы представлена на рис. 1, на рис. 2 представлена архитектура для многопроцессорных систем.

Рис. 1. Архитектура fluent для однопроцессорных систем

Рис. 2. Архитектура Fluent для многопроцессорных систем

Для проведения моделирования необходимо провести подготовку входных данных для решателя. Моделирование распространения загрязнения в условиях городской застройки требует присутствия в расчете трехмерную модель города. Программный продукт Ansys Fluent поддерживает импорт геометрии из многих источников, в том числе и Autodesk Autocad. После загрузки геометрии застройки необходимо определить материалы, из которых сделана застройка. Далее необходимо определить граничные условия моделируемой области, а также начальные условия. После проведения данных этапов необходимо выбрать расчетные модели, Ansys Fluent включает в себя множество моделей, которые можно использовать вместе, что позволит улучшить результаты моделирования. Так как моделирование проводится в условиях городской застройки, необходимо выбрать модели турбулентных потоков, которые будут возникать в городских уличных каньонах и непосредственно около зданий. Далее нужно запустить решатель, в зависимости от мощности вычислительной машины время расчета может быть разным, так на многопроцессорных компьютерах время расчета значительно ниже, чем на обычных стационарных компьютерах. После выполнения расчета, происходит выгрузка данных в базу данных системы «ЭКО Прогноз», где они будут использоваться для локализации источников загрязнения. Архитектура разрабатываемого приложения представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема взаимодействия подсистем

По результатам моделирования можно сделать вывод, что программный продукт рассчитывает распространение загрязнения в городской застройке, вблизи зданий образуются турбулентные потоки, которые влияют на направления распространения примеси. Результаты моделирования представлены на рис. 4-5.

Рис. 4. Распространение примеси в условиях городской застройки

Рис. 5. Распространение примеси 2D вид

Таким образом, модели CFD могут лечь в основу для решения задач распространения загрязняющих веществ с учетом городской застройки. Разработано программное обеспечение, которое производить расчет распространения загрязнений, используя CFD пакет, в своем составе [6]. Использования технологий межпрограммного взаимодействия разработанное программное обеспечение, с CFD пакетом, включено в информационную систему “ЭКО Прогноз”.

На основании изложенного можно сделать вывод, что современные системы атмосферного моделирования представляют собой досконально проработанное программное обеспечение, доступное для свободного использования в любых исследованиях, связанных с анализом процессов, протекающих в атмосфере.

Существующие архивы данных предоставляют возможность свободного доступа к характеристикам всей поверхности Земли с поразительно высоким разрешением (порядка сотен метров), данным метеонаблюдений и результатам вычислений ведущих моделей атмосферы через глобальную сеть Internet.

ЛИТЕРАТУРА

1. Analysis of pollutant dispersion in an urban street Canyon. http: // pulson. seos. uvic. ca/ people/ gerdi/ vki/vkipaper.pdf.
2. Baik J. and Kim J., On the Escape of Pollutant From Urban Street Canyons, Atmospheric Environmental, Vol. 36, pp. 527-536, 2002
3. CHAM-Polis from Phoenics V3.4, 1999 Documentation, Concentration
4. Луканини В.Н., Трофименко Ю.В. Промышленно-транспортная экология. – М.: Высш. Шк., 2001
5. Официальный Сайт ANSYS Fluent [Electronic resource]. http: // www. ansys. com/ Products/ Simulation + Technology/ Fluid+ Dynamics/ Fluid+ Dynamics+ Products/ ANSYS+ Fluent
6. Wilcox D., 1998. Turbulence modeling for CFD. Springer
7. Ahn Eun David – PhD, преподаватель Национальный университет Louse, Чикаго. США. Область научных интересов – банки и банковская сфера.
8. Duby David master of Educational Administration, PhD (Organizational Leadership), Regent University. Chair of the Department of Management at Liberty University, Forest, Virginia, USA.
9. Houghton David MBA, PhD (marketing) at the university of Cincinnati Dean, College of Business Oklahoma Baptist University, Shawnee, Oklahoma, USA.
10. Архипцева Ирина Анатольевна заместитель директора по учебной работе ФГБОУ ВО «Российский экономический, университет им. Г.В. Плеханова» МПЭК, Москва. Область научных интересов вопросы банковского маркетинга и менеджмента.
11. Астафьева Александра Геннадьевна – магистр бизнес-администрирования, старший преподаватель. Область научных интересов – вопросы менеджмента.
12. Байкенов Жасулан Ерболович– докторант специальности «Менеджмент». Область научных интересов – менеджмент высшего образования.
13. Бирюков Александр Николаевич доктор экономических наук, профессор кафедры экономической теории и анализа, «Башкирский государственный университет» Стерлитамакский филиал, Стерлитамак, Республика Башкортостан.
14. Бондаренко Татьяна Григорьевна кандидат экономических наук, доцент ФГБОУ ВО «РЭУ им. Г.В. Плеханова», Москва, Российская Федерация. Область научных интересов – банки и банковская сфера.
15. Бордияну Илона Владимировна PhD, заведующий кафедрой «Бизнеса». Область научных интересов – финансы и финансовая деятельность.
16. Варавин Евгений Владимирович кандидат экономических наук, доцент ВКГТУ им. Д. Серикбаева. Область научных интересов – учет и налогообложение.
17. Водянова Екатерина Романовна экономист ТОО «Защита УБА», Усть Каменогорск. Область научных интересов – вопросы продовольственной безопасности.
18. Глущенко Ольга Ивановна – кандидат экономических наук, доцент, заведующая кафедрой управления физической культуры, экономики и туризма, «Уральский государственный университет физической культуры» Стерлитамакский филиал, Стерлитамак, Республика Башкортостан.
19. Джемпеисова Гульнара Ислямовна кандидат экономических наук, доцент ВКГТУ им. Д. Серикбаева. Область научных интересов – налоги и налогообложение.
20. Жанабаева Аида Советовна старший преподаватель кафедры «Менеджмента» ВКГТУ им. Д. Серикбаева. Область научных интересов – экономика предприятия.
21. Исаева Екатерина Анатольевна кандидат экономических наук, доцент кафедры «Банковское дело», доцент ФГБОУ ВО РЭУ им. Г.В. Плеханова, Москва. Область научных интересов вопросы банковского маркетинга и менеджмента.
22. Кайгородцев Александр Александрович доктор экономических наук, профессор ВКГУ им. С. Аманжолова. Область научных интересов – вопросы продовольственной безопасности.
23. Касимова Лиана Ириковна аспирантка кафедры макроэкономического развития и государственного управления Башкирского государственного университета, Стерлитамак, Республика Башкортостан.
24. Кинашева Жадыра Болатовна – кандидат экономических наук, доцент ВКГТУ им. Д. Серикбаева. Область научных интересов вопросы банковского маркетинга и менеджмента.
25. Климова Наталья Николаевна кандидат экономических наук, ФГБОУ ВО «Российский экономический, университет им. Г.В. Плеханова» МПЭК, Москва. Область научных интересов вопросы банковского маркетинга и менеджмента.
26. Козлова Марина Васильевна кандидат экономических наук, доцент ВКГТУ им. Д. Серикбаева. Область научных интересов – учет и налогообложение.
27. Конопьянова Галина Ахбаевна – кандидат экономических наук, профессор. Вице-президент по академическим вопросам. Область научных интересов – экономика региона, вопросы банковской сферы.
28. Конурбаева Жадыра Тусупкановна кандидат экономических наук, доцент ВКГТУ им. Д. Серикбаева. Область научных интересов – вопросы менеджмента и маркетинга.
29. Кумаргажанова Сауле Кумаргажановна кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Информационные системы и компьютерное моделирование» ВКГТУ им. Д. Серикбаева. Область научных интересов – вопросы информатики и моделирования.
30. Локотко Анна Вениаминовна кандидат экономических наук, доцент. Область научных интересов – экономика предприятия.
31. Мадиярова Эльвира Собетоллаевна – кандидат экономических наук, доцент, заведующий кафедрой «Финансы, учет и налогообложение» ВКГТУ им. Д. Серикбаева. Область научных интересов модернизация и развитие банковской сферы.
32. Мамбетказиев Айдар Ережепович PhD, ректор Казахстанско-Американского свободного университета. Область научных интересов – менеджмент высшего образования.
33. Мамырбекова Динара Самархановна старший преподаватель. Область научных интересов – налоги и налогообложение.
34. Непшина Виктория Николаевна – PhD, старший преподаватель. Область научных интересов – банки и банковская деятельность.
35. Нетесов Александр Александрович магистрант ВКГТУ им. Д. Серикбаева. Область научных интересов – вопросы информатики и моделирования.
36. Оралбекқызы Әйгерім – магистр экономических наук, преподаватель. Область научных интересов – вопросы менеджмента и маркетинга.
37. Рахметуллина Сауле Жадыгеровна кандидат технических наук, доцент ВКГТУ им. Д. Серикбаева. Область научных интересов – вопросы информатики и моделирования.
38. Сарсембаева Гульнар Жексембаевна старший преподаватель, начальник Департамента академических программ. Область научных интересов – вопросы менеджмента в образовании.
39. Сизов Михаил Владимирович магистрант ВКГТУ им. Д. Серикбаева. Область научных интересов – вопросы менеджмента и маркетинга.
40. Ситникова Елена Станиславовна кандидат экономических наук, доцент ВКГУ им. С. Аманжолова. Область научных интересов – вопросы менеджмента в образовании и здравоохранении.
41. Солтан Гульжан Жексенбаевна – кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационные системы и компьютерное моделирование», начальник Управления по академической деятельности ВКГТУ им. Д. Серикбаева. Область научных интересов – вопросы информатики и моделирования.
42. Суйеубаева Салтанат Нурболсыновна кандидат экономических наук, доцент ВКГТУ им. Д. Серикбаева. Область научных интересов – учет и налогообложение.
43. Турсынбекулы Нурлан старший преподаватель ВКГУ им. С. Аманжолова. Область научных интересов – налоги и налогообложение.
44. Увалиева Индира Махмутовна PhD, доцент кафедры «Информационные системы и компьютерное моделирование» ВКГТУ им. Д. Серикбаева. Область научных интересов – вопросы информатики и моделирования.
45. Шаламова Татьяна Александровна кредитный менеджер Управления кредитования и проектного финансирования ПАО Сбербанка России, Москва, Российская Федерация. Область научных интересов вопросы банковского маркетинга и менеджмента.