Mathematical Modeling of Pollutant Dispersion in Turbulent Airflows of the Atmospheric Boundary Layer

N. Ravshanov; B.I. Boborakhimov; O.S. Juraboeva; S.U. Riskulova

doi:10.71310/pcam.5_69.2025.02

Авторы

Н. Равшанов Научно-исследовательский институт развития цифровых технологий и искусственного интеллекта Автор
Б.И. Боборахимов Научно-исследовательский институт развития цифровых технологий и искусственного интеллекта Автор
О.С. Джурабоева Научно-исследовательский институт развития цифровых технологий и искусственного интеллекта Автор
С.У. Рискулова Туринский политехнический университет в Ташкенте Автор

DOI:

https://doi.org/10.71310/pcam.5_69.2025.02

Ключевые слова:

атмосферное моделирование, турбулентная диффузия, конечно-разностная аппроксимация, поле скоростей и давления, экологическое прогнозирование

Аннотация

В работе представлена математическая модель распространения примесей в турбулентных воздушных потоках пограничного слоя атмосферы, основанная на уравнении адвекции–диффузии, системе уравнений Навье–Стокса и дополненная моделью турбулентности k-e. В такой постановке модель позволяет получить достаточно точное описание пространственно-временной динамики концентрации загрязняющих веществ. Точечный источник выброса задан через дельта-функцию Дирака, что позволяет корректно описывать локализованные эмиссии примеси. Для численного решения поставленной задачи предложен алгоритм на основе конечно-разностной схеме с направленной аппроксимацией потоков и итерационной коррекцией давления методом сопряжённых градиентов. Граничные и начальные условия сформулированы для приземного слоя атмосферы с учетом пространственной неоднородности ветрового поля и вертикального градиента турбулентной энергии. Разработанная модель обеспечивает устойчивое решение задачи и может быть использована для анализа динамики распространения загрязняющих веществ, прогноза качества воздуха и оптимизации систем вентиляции городской среды при различных метеорологических условиях.

Библиографические ссылки

Brunekreef B., Holgate S.T. Air pollution and health // Lancet. – 2002. – P. 1233-1242.

Maynard R. Key airborne pollutants—the impact on health // Sci. Total Environ. – 2004. – Vol. 334. – P. 9-13.

Global IGBP change: urban air pollution – a new look at an old problem // http://www.igbp.net/news/features/urbanairpollutionanewlookatanoldproblem.5.19895cff13e9f675e253f0.html

Health effects // https://www.airqualitynow.eu/pollution_health_effects.php

Sangeetha A., Amudha T. A study on estimation of CO2 emission using computational

techniques // 2016 IEEE International Conference on Advances in Computer Applications (ICACA). – 2016. – P. 244-249.

Kongritti N. Power-based motor-vehicle model emission of air pollutants from Chalongrat expressway compared to road ground level by using power-based motor-vehicle model // Asia-Pac. J. Sci. Technol. – 2014. – Vol. 19, No. 5. – P. 645-655.

Is CO2 a pollutant? // https://skepticalscience.com/co2-pollutant-advanced.html

The effects of carbon dioxide on air pollution // https://sciening.com/list-5921485-effects-carbon-dioxide-air-pollution.html

The criteria air pollutants // https://en.wikipedia.org/wiki/Critetia_air_pollutants

Air pollution // https://www.nationalgeographic.com/environment/global-warming/pollution

Abhijith K.V., Kumar P., Gallagher J., McNabola A., Baldauf R., Pilla F., Broderick B., Sabatino S.D., Pulvirenti B. Air pollution abatement performances of green infrastructure in open-road and built-up street canyon environments—a review // Atmosphere. Environ. – 2017. – Vol. 162. – P. 71-86.

Janhдll S. Review on urban vegetation and particle air pollution-deposition and dispersion // Atmosphere. Environ. – 2015. – Vol. 105. – P. 130-137.

Rahman I.A., Putra J.C.P., Asmi A. Modeling of particle transmission in laminar flow using COMSOL Multiphysics // ARPN J. Eng. Appl. Sci.. – 2006. – Vol. 11. – P. 6630-6637.

Christodemou E., Boganegra L.M., Mottet L., Pavlidis D., Constantinou A., Pain C., Robins A., ApSimon H. How tall buildings affect turbulent air flows and dispersion of pollution within a neighborhood // Environ. Pollut.. – 2018. – Vol. 233. – P. 782-796.

Baik J.J., Kim J.J. A numerical study of flow and pollutant dispersion characteristics in urban street canyons // J. Appl. Meteorol.. – 1999. – Vol. 38, No. 11. – P. 1576-1589.

Chan T., Dong G., Leung C., Cheung C., Hung W. Validation of a two-dimensional pollutant dispersion model in an isolated street canyon // Atmosphere. Environ.. – 2002. – Vol. 36, No. 5. – P. 861-872.

Chang C.H., Lin J.S., Cheng C.M., Hong Y.S. Numerical simulations and wind tunnel studies of pollutant dispersion in the urban street canyons with different height arrangement // J. Mar. Sci. Technol.. – 2013. – Vol. 21, No. 2. – P. 119-126.

Huang H., Akutsu Y., Arai M., Tamura M. A two-dimensional air quality model in an urban street canyon // Atmosphere. Environ.. – 2000. – Vol. 34, No. 5. – P. 689-698.

Ibrahim A., Altinisik K., Keskin A. The pollutant emissions from diesel-engine vehicles and exhaust aftertreatment systems // Clean Technol. Environ. Policy. – 2015. – Vol. 17, No. 1. – P. 15-27.

Kim J.J., Baik J.J. A numerical study of thermal effects on flow and pollutant dispersion in urban street canyons // J. Appl. Meteorol.. – 1999. – Vol. 38, No. 9. – P. 1249-1261.

Li L., Yang L., Zhang L.J., Jiang Y. Numerical study on the impact of ground heating and ambient wind speed on flow fields in street canyons // Adv. Atmosphere. Sci.. – 2012. – Vol. 29, No. 6. – P. 1227-1237.

Mei S.J., Liu C.W., Liu D., Zhao F.Y., Wang H.Q., Li X.H. Fluid mechanical dispersion of airborne pollutants inside urban street canyons subject to multi-component ventilation and unstable thermal stratifications // Sci. Total Environ.. – 2016. – Vol. 565. – P. 1102-1115.

Miao Y., Liu S., Zheng Y., Wang S., Li Y. Numerical study of traffic pollutant dispersion within different street canyon configurations // Adv. Meteorol.. – 2014. – Article ID 458671.

Oijinda P., Pocha N. Numerical simulation to air pollution emission control near an industrial zone // Adv. Math. Phys.. – 2017. – Article ID 5287132.

Liu W. Numerical models for vehicle exhaust dispersion in complex urban areas // Int. J. Numer. Methods Fluids. – 2011. – Vol. 67. – P. 787-804.

Madalozzo D.M.S., Braun A.L., Awruch A.M., Morsch I.B. Numerical simulation of pollutant dispersion in street canyons: geometric and thermal effects // Appl. Math. Model.. – 2014. – Vol. 38, No. 24. – P. 5883-5909.

Suebyat K., Pochai N. Numerical simulation for a three-dimensional air pollution measurement model in a heavy traffic area under the Bangkok Skytrain platform // Abstr. Appl. Anal.. – 2018. – Article ID 9025851.

Ravshanov N., Sharipov D.K., Akhmedov D. Modelirovaniya protsessa zagryazneniya okrujayushchey sredy s uchetom relief mestnosti kheleto - klimaticeskikh faktorov // Informatsionnye tekhnologii modelirovaniya i upravleniya. – 2015. – No. 3. – P. 222-235.