Математическая модель и численный алгоритм для исследования процесса распространения пылевых и мелкодисперсных аэрозолей в атмосфере

Н. Таштемирова

doi:10.71310/pcam.1_63.2025.05

Авторы

Н. Таштемирова Научно-исследовательский институт развития цифровых технологий и искусственного интеллекта Автор

DOI:

https://doi.org/10.71310/pcam.1_63.2025.05

Ключевые слова:

скорость и направление ветра, убыль концентрации загрязняющих веществ, скорость осаждения, метод прямых, полунеявная разностная схема

Аннотация

Загрязнение окружающей среды является одной из важнейших проблем современности, поскольку вызывает ухудшение здоровья людей, деградацию флоры и фауны, а также угнетение растительности. Для изучения и прогнозирования процесса распространения вредных веществ в приземном слое атмосферы разработана математическая модель, учитывающая: убыль концентрации загрязняющих веществ в атмосфере за счет разложения и фотохимической трансформации; изменение розы ветров во времени и в зависимости от орографии местности; изменение коэффициента диффузии и коэффициента турбулентного перемешивания по вертикали при устойчивой и неустойчивой стратификации. Модель основана на основных законах гидромеханики, таких как сохранение массы, количества движения и импульса. Кроме того, используется методика расчета, которая учитывает гидродинамические факторы погоды и климата, такие как захват аэрозольных частиц растениями, взаимодействие с землей, изменение скорости и направления ветра, а также коэффициента турбулентности по высоте и горизонтали. Для обеспечения высокого порядка точности и устойчивости разностных схем применяется полунеявная конечно-разностная схема и метод “прямых” для интегрирования поставленной задачи.

Библиографические ссылки

Михайлюта C.B., Леженин A.A., Тасейко О.В., Битехтина М.А. Экологическая индустрия: ветровые потоки в городской застройке Красноярска. // Инженерная экология. – 2012. – N3. – С. 26–37.

Локощенко М.А., Еланский Н.Ф., Трифанова А.В. Влияние метеорологических условий на загрязнение воздуха в Москве. // Экология человека Вестник Российской Академии естественных наук – 2014. – №1 – C. 64–67.

Elminir H.K. Dependence of urban air pollutants on meteorology //Science of the total environment. – Т. 350. – №. 1–3. – 2005. – С. 225–237.

Чжоу Ц. и др. Влияние температуры окружающей среды и влажности атмосферы на динамику диффузии утечки фтористого водорода на основе метода вычислительной гидродинамики. // Токсики. – Т. 12. – №. 3. – 2024. – 184. c.

Shuangchen M. et al. Environmental influence and countermeasures for high humidity flue gas discharging from power plants Renewable and Sustainable Energy Reviews. // – 2017. – Т. 73. – С. 225–235.

Zhang J. P. et al. The impact of circulation patterns on regional transport pathways and air quality over Beijing and its surroundings. // Atmospheric Chemistry and Physics. – 2012. – Т. 12. – №. 11. – С. 5031–5053.

Aky¨uz M., ¸Cabuk H. Meteorological variations of PM2. 5/PM10 concentrations and particleassociated polycyclic aromatic hydrocarbons in the atmospheric environment of Zonguldak, Turkey. // Journal of hazardous materials. – 2009. – Т. 170. – №. 1. – С. 13–21.

Said S.A. M. et al. The effect of environmental factors and dust accumulation on photovoltaic modules and dust-accumulation mitigation strategies. // Renewable and Sustainable Energy Re-views. – 2018. – Т. 82. – С. 743-760.

Amamou A., Mahjoub H., Al-Farhany K., Said N.M., Bournot H. Experimental and CFD analyses of pollutant dispersion around an isolated cylindrical building. //Waves in Random and Complex Media, 1–35. https://doi.org/10.1080/17455030.2023.2179861 – 2023.

Noyes P.D. et al. The toxicology of climate change: environmental contaminants in a warming world. // Environment international. – 2009. – Т. 35. – №. 6. – С. 971–986.

Huang X., Wang H., Gao L. 2020. Numerical simulation of airflow and dispersion in 3D street canyons: the effect of atmospheric temperature stratification. // Environmental Technolo-gy, 44(17), – P. 2563–2580. – 2022. https://doi.org/10.1080/09593330.2022.2036247

Coccia M. The effects of atmospheric stability with low wind speed and of air pollution on the accelerated transmission dynamics of COVID-19. // International Journal of Environmental Studies. – 2021. – Т. 78. – №. 1. – С. 1–27.

Popov O. et al. Emergencies at potentially dangerous objects causing atmosphere pollution: peculiarities of chemically hazardous substances migration. // Systems, Decision and Control in Energy I. – Cham : Springer International Publishing, 2020. – С. 151–163.

Zhao L. et al. Influence of atmospheric fine particulate matter (PM2.5) pollution on indoor environment during winter in Beijing. // Building and Environment. – 2015. – Т. 87. – С. 283–291.

Hernandez G. et al. Temperature and humidity effects on particulate matter concentrations in a sub-tropical climate during winter. // International proceedings of chemical, biological and environmental engineering. – 2017. – Т. 102. – №. 8. – С. 41–49.

Грундстрем М. и др. Изменение и ковариация PM10, концентрации частиц, NOx и NO2 в городском воздухе – Связь со скоростью ветра, вертикальным градиентом температуры и типом погоды. // Атмосферная среда. – 2015. – Т. 120. – С. 317–327.

Sharan M., Gopalakrishnan S.G. Mathematical modeling of diffusion and transport of pollutants in the atmospheric boundary layer. // Pure and Applied Geophysics. – 2003. – Т. 160. – С. 357–394.

Ravshanov N., Sharipov D. Advanced mathematical model of transfer and dif-fusion process of harmful substances in the atmospheric boundary layer. // Journal of Advance Research in Com-puter Science Engineering. ISSN. – 2016. – С. 2456–3552.

Мурадов Ф.А., Таштемирова Н.Н., Эшбоева Н.Ф., Гозиев Х.И. Численное моделирование трехмерного поля скорости ветра в атмосфере. // Проблемывычислительной и прикладной математики. – 2024. – No 1(55). – С. 48–56.

Lakehal D. On the modelling of multiphase turbulent flows for environmental and hydrodynamic applications. // International Journal of Multiphase Flow. – 2002. – Т. 28. – №. 5. – С. 823–863.

Temirbekov N. et al. Mathematical and computer modeling of atmospheric air pollutants transformation with input data refinement. // Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science. – 2023. – Т. 32. – №. 3. – С. 1405–1416.

Guha A. Transport and deposition of particles in turbulent and laminar flow. // Annu. Rev. Fluid Mech. – 2008. – Т. 40. – №. 1. – С. 311-341.

Giardina M., Buffa P. A new approach for modeling dry deposition velocity of particles. // Atmospheric Environment. – 2018. – Т. 180. – С. 11–22.

Pisso, I., Sollum, E., Grythe, H., Kristiansen, N. I., Cassiani, M., Eckhardt, S., Arnold, D., Morton, D., Thompson, R. L., Groot Zwaaftink, C. D., Evangeliou, N., Sodemann, H., Haimberger, L., Henne, S., Brunner, D., Burkhart, J. F., Fouilloux, A., Brioude, J., Philipp, A., Seibert, P., and Stohl, A. The Lagrangian particle dispersion model FLEXPART version. // Geosci. Model Dev., 12, – P. 4955–4997. https://doi.org/10.5194/gmd-12-4955-2019, – 2019.

Фаддеева В.Н. Метод прямых в применении к некоторым краевым задачам. // Труды Математического института АН СССР им. В.А. Стеклова, т. XXVIII (28), М., – 1949.

Каримбердиева С. Численные решения дифференциально-разностных уравнений в параллелопипиде, шаре и цилиндре. // Т., «Фан», – 1983. – 112 с.

Фаддеев Д.К., Фаддеева В.Н. Вычислительные методы линейной алгебры. // М., – 1960.