авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Математическое моделирование переноса загрязнения в цимлянском водохранилище

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Сидиропуло Спартак Георгиевич

МАТЕМАТИЧЕСКое МОДЕЛирование ПЕРЕНОСА ЗАГРЯЗНЕНИЯ
В ЦИМЛЯНСКОМ ВОДОХРАНИЛИЩЕ

05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы

и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Ростов-на-Дону

2007 г.

Работа выполнена в Южно-Российском региональном центре информатизации Южного федерального университета

Научный руководитель: кандидат технических наук,

с.н.с. Чикин Алексей Львович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Белявский Григорий Исаакович

кандидат физико-математических наук,

доцент Сурков Федор Алексеевич

Ведущая организация: Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)

г. Новочеркасск

Защита состоится « » 2007 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета К.212.208.04 по физико-математическим и техническим наукам в Южном федеральном университете по адресу: 344090, Ростов-на-Дону, пр.Стачки 200/1, корпус 2, ЮГИНФО ЮФУ, к.206.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ЮФУ по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан « » 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета,

д. ф.-м.н., доцент Муратова Г.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В условиях дефицита выработки электроэнергии тепловыми и гидроэлектростанциями в настоящее время существенно возрастает роль атомной энергетики. По этой причине строительство и ввод в эксплуатацию Волгодонской атомной электростанции (ВоАЭС) имел важное народнохозяйственное значение. Строительство Волгодонской АЭС началось в 1979 году, но в 1990 году было принято решение о его приостановке. Это было связано с аварией на Чернобыльской АЭС в 1986 году. Однако в 2000 году работы по строительству ВоАЭС возобновились, и 30 марта 2001 года был подключен к единой энергосистеме первый блок ВоАЭС. В настоящее время вырабатываемой электроэнергии для юга России уже недостаточно, поэтому в июне 2006 года правительством РФ принято решение о возобновлении строительства второго энергоблока.

Однако запуск в эксплуатацию атомной станции, а также ввод новых мощностей влекут за собой новые проблемы, связанные с радиационной безопасностью вокруг АЭС и прилегающей к ней зоны. В этой связи необходим прогноз последствий выброса загрязняющего вещества, с целью обеспечения первоочередными мерами по защите от загрязнения района вблизи станции.

Нужен особый контроль над содержанием и распространением основных радиоактивных и загрязняющих веществ, как в воздухе, так и в Цимлянском водохранилище в районе ВоАЭС. Для того чтобы оценить влияние выбрасываемого вещества на окружающую среду, необходимо заранее спрогнозировать поведение примесей, появление которых в атмосфере или в воде возможно в процессе работы электростанции в обычном режиме или в результате аварии. По этой причине весьма актуальным становится создание математической модели, которая адекватно отражает происходящие в водной среде процессы переноса загрязняющего вещества. Такая модель позволяет в динамике рассмотреть процессы радиоактивного и нерадиоактивного загрязнения и, в случае необходимости, сделать прогнозы на дальнюю или ближнюю перспективу.





В настоящее время существует модель «Basin» для прогнозирования последствий нормативного и аварийного загрязнения радионуклидами водоема-охладителя ВоАЭС. Модель «Basin» относится к классу камерных моделей и требует некоторых допущений, в частности, распространение вещества мгновенно и равномерно; гидродинамика водоема не учитывается.

Целью диссертации является разработка, численная и программная реализация математической модели, описывающей процессы распространения и оседания загрязняющего вещества в южной части Цимлянском водохранилище.

Создание математической модели южной части Цимлянского водохранилища позволит проводить следующие виды исследований:

  • залпового выброса загрязнения из трубы АЭС на водную поверхность водохранилища;
  • поступления загрязнения в водохранилище через береговую линию;
  • поступления загрязнения с притоками малых рек, например, р.Цимла;
  • поступления загрязнения из створа р. Дон;
  • поступления загрязнения через всю водную поверхность.

Объектом исследования являются процессы распространения загрязняющего вещества в водоемах, включающие конвективно-диффузионный перенос, взмучивание и оседание взвешенного вещества.

Методы исследования основаны на положениях теории операторно-разностных схем, а также опираются на результаты вычислительного эксперимента.

Научная новизна. Создана и программно реализована математическая модель южной части Цимлянского водохранилища, описывающая процессы распространения и оседания загрязняющего вещества. Цимлянское водохранилище до настоящего времени не имело математической модели гидродинамики, процессов переноса и распространения вещества. Проведенные на представленной математической модели вычислительные эксперименты, а также анализ полученных результатов позволил определить возможные районы, а также степень загрязнения южной части Цимлянского водохранилища в результате выбросов в него загрязняющих веществ.

Достоверность. Представленные в диссертации результаты имеют математическое обоснование. Результаты проведенных численных экспериментов качественно согласуются с натурными данными.

Практическая значимость. Созданный программный комплекс, реализующий математическую модель распространения радионуклидного загрязнения в водоеме, может быть использован Гидрометеоцентром и МЧС для прогнозирования изменений полей загрязняющих веществ во внутренних водоемах, для исследования процессов оседания веществ. Разработанная программа позволяет пользователям с различным опытом работы с компьютером производить необходимые расчеты независимо от конфигурации рабочего места.

Апробация работы. Полученные результаты были представлены на следующих конференциях:

  • XI Всероссийской школе-семинаре "Современные проблемы математического моделирования"; Дюрсо, 2005
  • XVI Всероссийской конференции "Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов и решение задач математической физики с приложением к многопроцессорным системам", посвященная памяти К.И.Бабенко, Дюрсо, 2006.
  • Международной конференции «Порядковый анализ и смежные вопросы математического моделирования», июнь 2006 г., Владикавказ
  • VI Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2006), 26 июня – 1 июля 2006 г., C.-Петербург;
  • Международной конференции «Тихонов и современная математика», Москва, 2006
  • XXXV школе семинаре «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования», 10-15 сентября 2007, г. Ростов-на-Дону

В полном объеме диссертационная работа докладывалась на научном семинаре «Методы решения краевых задач» лаборатории вычислительного эксперимента ЮГИНФО ЮФУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 9 в соавторстве. Из них 2 статьи в российских реферируемых журналах, 4 статьи в сборниках трудов и 6 в тезисах докладов всероссийских и международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 135 страниц, содержит 66 рисунков, 12 диаграмм, 5 таблиц. Список литературы содержит 73 наименования.

Содержание работы

Во введении изложены основные цели и задачи диссертации, показаны их актуальность и практическая значимость, дано краткое содержание работы и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору литературы и постановке задачи. В первом разделе описываются процессы переноса и распределения веществ в водоемах. Приведены существующие модели переноса радионуклидов, взвешенного вещества, а также процесса оседания примесей и образования донных отложений. Дается описание процессов, участвующих в распространении радионуклидов.

Во втором разделе главы приводится постановка задачи. Математическая модель процесса переноса вещества имеет две составляющие: первая описывает гидродинамику, а вторая – непосредственное распределение концентрации вещества при уже определенном поле скоростей. Для определения поля скоростей течения воды была использована методика, основанная на идеи разбиения всей расчетной области на мелководный слой и глубоководную область1. Движение воды в мелководном слое описывается уравнениями мелкой воды

1 2

3 4

. 56

Движение воды в глубоководной области описывается системой, состоящей из трехмерных уравнений количества движения и уравнения неразрывности, к которым добавляется уравнение гидростатического давления

7 8

910

11 12

. 13 14

В (1)–(7) приняты следующие обозначения: x, y, z,– пространственные переменные; t – время; us, vs – осредненные по вертикали скорости в слое I; u, v, w – компоненты скорости в слое II;  – возмущение уровня воды; , h – глубина слоя I; – проекции на оси OX и OY силы трения ветра о поверхность водоема; – проекции на оси OX и OY силы трения жидкости о дно (или нижний слой воды); –коэффициент Кориолиса;  – атмосферное давление; xy, z – коэффициенты горизонтальной и вертикальной вязкости соответственно; – плотность воды; – ускорение силы тяжести.

На твердой границе скорости равны нулю. В местах втекания или вытекания воды они равны соответствующим значениям . На границе с атмосферой задается сила трения ветра о поверхность водоема, которая выносится в правую часть уравнений (1), (2). На поверхности слоя II ставятся условия . В качестве начальных данных задается распределение скоростей при штиле .

Перенос взвешенных частиц описывается трехмерным уравнением конвекции-диффузии

,

где – концентрация; ; – коэффициенты горизонтальной и вертикальной турбулентной диффузии соответственно; – вектор скорости; – скорость оседания частицы.

Принимается, что нет потока через свободную поверхность

а поток на дне равен разности количества осевших и поднявшихся со дна частиц

Предполагается, что поток через боковую твердую границу отсутствует , а через устья впадающих рек со скоростью по нормали может поступать взвесь с некоторым расходом q

Величины расходов и многими авторами вычисляются по-разному. В данной модели применяются методики расчета указанных расходов, используемые в двумерных математических моделях переноса взвеси2, 3:

.

Здесь Pe представляет число Пекле, – вероятность оседания;  – критическое сдвиговое напряжения для оседания.

Сдвиговое напряжение вычисляется через скорость у основания c учетом коэффициента донного трения

.

Расход поднявшихся со дна частиц qb есть функция сдвигового напряжения:

где me – экспериментальная постоянная me=0.00020.002, сe –критическое сдвиговое напряжение для размывания, вычисляемое по формуле

,

здесь  – плотность осадка.

Толщина ила задается уравнением деформации основания

,

где – пористость дна; – эффективная толщина загрязненного придонного ила.

Во второй главе представлен алгоритм конечно-разностной аппроксимации рассматриваемой задачи.

В первом разделе описывается построение конечно-разностных аналогов краевых задач, даются определения основных понятий теории разностных схем, приводятся различные типы конечно-разностных схем.

Во втором разделе приведен краткий обзор разностных схем решения уравнения переноса.

В третьем разделе приводится конечно-разностная схема трехмерной задачи конвекции-диффузии с противопотокой аппроксимацией конвективных членов:

В третьей главе приведено описание и основные результаты вычислительных экспериментов, полученных на основе созданной математической модели. Дается краткое описание гидрологии Цимлянского водохранилища.

В первом разделе показаны результаты расчета полей течения при различных ветровых ситуациях. Численно установлено, что при одном и том же направлении ветра возможны два совершенно разных типа течения. Первый тип носит характер поступательного по всей акватории движения жидкости без образования каких-либо зон циркуляции. Такое течение возникает в первые часы действия ветра (Рис. 1). Второй тип течения возникает при продолжительном действии ветра. Течение имеет много циркуляционных зон и носит установившийся характер (Рис. 2). Дальнейшие расчеты переноса и оседания вещества проводились с учетом этих двух типов течения.

Рис. 1. Течение воды в Приплотинном участке в первые часы действия северного ветра Рис. 2. Течение воды в Приплотинном участке при продолжительном действии северного ветра

Во втором разделе приведены результаты численного исследования основных случаев поступления загрязняющего вещества в Цимлянское водохранилище.

Попадание загрязнения в случае залпового выброса из трубы АЭС на водную поверхность водохранилища возможно при действии ветров южного или восточного направления. Построенная для данного района роза ветров указывает на преобладание ветров восточного направления. При этих ветрах накопление взвешенного вещества происходит в районе порта Волгодонск и г. Цимлянска для обоих типов ветрового течения (Рис. 3, Рис. 4), а для течения II типа загрязненным остается еще и район самой АЭС.

Распределение донного осадка для течений I типа подобно распределению взвешенного вещества. При южном ветре наибольшее накопление осадка наблюдается в районе створа р. Дон. При восточном ветре значительное количество взвеси оседает в районе порта Волгодонск, плотины Цимлянской ГЭС и г. Цимлянск (Рис. 5).

Рис. 3. Распределение концентрации вещества после его выброса для течения I типа при действии восточного ветра Рис. 4. Распределение концентрации вещества после его выброса для течения II типа при действии восточного ветра

Рис. 5. Распределение донного осадка после залпового выброса в районе ВоАЭС при течении I типа под действием восточного ветра Рис. 6. Распределение донного осадка после залпового выброса в районе ВоАЭС при течении II типа под действием южного ветра

В случае течения II типа на распределение выпадающего осадка существенное влияние оказывают циркуляционные зоны. При действии восточного ветра наибольшее накопление осадка происходит в центральной части Приплотинного плеса, уменьшаясь при приближении к плотине ГЭС, и лишь малая часть оседает в районе створа р.Дон. При южном ветре осевшее вещество представляет разрозненные области, расположенные в центральной части плеса (Рис. 6).

Во время ливневых паводков, когда загрязняющее вещество поступает в водохранилище вместе с береговыми стоками, при действии северного ветра взвесь удерживается в районе порта Волгодонска и немного у плотины ГЭС. При действии восточного ветра вещество удерживается еще и в районе Терновской балки (Рис. 7). При действии южного или западного ветра пятно загрязнения выносится в район створа р. Дон (Рис. 8).

При наличии течения II типа, когда существуют циркуляционные зоны, наибольшее количество загрязнения удерживается в районе Терновской балки, а при действии восточного ветра загрязненная область образуется еще и в районе ВоАЭС.

Рис. 7. Распределение концентрации вещества после его смыва с берегов для течения I типа под действием восточного ветра Рис. 8. Распределение концентрации вещества после его смыва с берегов для течения I типа под действием южного ветра


Pages:   || 2 | 3 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.