close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Система определения источника выброса вредных веществ и оценки его распространения в городских условиях.

код для вставкиСкачать
Известия ТРТУ
Тематический выпуск
На рисунке 2,б показано распределение спектра сигнала спутника ERS-2, в
координатах частота (номер элемента ПЗС) - отсчёты времени; в оригинале амплитуда спектральных составляющих представлена в цветовой палитре
На рисунке 2,в показана та же частотно-временная панорама сигнала в трёхмерной проекции.
Разработанный в рамках данной системы акустооптоэлектронный анализатор
спектра повышенного быстродействия может найти применение не только для
обнаружения и анализа быстроизменяющихся радиосигналов, но и при решении
других задач, таких как задача дистанционного зондирования, когда о сути происходящих физических процессов судят по изменению время-частотных характеристик зондирующего радиосигнала.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Высоцкий М.Г., Каасик В.П., Рогов С.А. Исследование многоканальных акустооптических устройств с временным интегрированием для обработки сигналов антенных решеток // Автометрия – 1991. № 2. – С.38-41.
Высоцкий М.Г., Каасик В.П., Рогов С.А. Многоканальный акустооптический коррелятор
с интегрированием во времени для обработки сигналов антенных решеток. // Автометрия - 1991. №3. – С.93-95.
Высоцкий М.Г., Каасик В.П., Рогов С.А. Лабораторно-полигонный макет кольцевой антенной решетки с оптической обработкой сигналов // 1 Всесоюзная конференция по оптической обработке информации: Тезисы докладов, ч.1. - Л. 1988. – С.82.
Аксенов Е.Т., Каасик В.П., Рогов С.А., Розов С.В. Быстродействующие акустооптические
приемники для систем обнаружения, анализа и распознавания радиосигналов // Военная
радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов: Тезисы
докладов 12-ой Межвузовской научно-технической конференции. - СПб, 14-15 февраля
2001г., ВМИРЭ. – C.254.
Аксенов Е.Т., Высоцкий М.Г., Каасик В.П., и др. Быстродействующий акустооптоэлектронный спектроанализатор широкополосных сигналов // Автометрия - 2000. №1. – С. 78-83.
Аксенов Е.Т., Петрунькин В.Ю., Стариков Г.А. Оптический вейвлет-процессор для обработки сложных сигналов // Письма в ЖТФ – 2001. Т.27. В 22. – С.24-29.
Аксенов Е.Т., Кухарев А.В., Липовский А.А., Петрунькин В.Ю. Исследование рабочей
модели гибридно-интегрального акустооптического спектроанализатора // Обработка
сигналов и изображений оптическими методами. Под. ред. Ю.В.Егорова, С.В.Кулакова
– Л. 1987. – С.31-39.
Рогов С.А., Розов С.В. Быстродействующее устройство съема на ПЗС для устройств оптической обработки информации // Российская науч.-тех. конференция «Инновационные
технологии для России» 25-27 апреля 1995 г.: Тез. докладов, ч.9.- С-Пб. 1995. – С.152.
УДК 519.63:532.55
В.К. Гадельшин, А.И. Сухинов
ТРТУ, г. Таганрог
СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА ВЫБРОСА ВРЕДНЫХ
ВЕЩЕСТВ И ОЦЕНКИ ЕГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ В ГОРОДСКИХ
УСЛОВИЯХ
Высокий уровень загрязнения воздушной среды является одной из главных
экологических проблем в городах. Основными источниками выбросов вредных,
загрязняющих атмосферу веществ (ЗВ) являются автотранспорт и промышленные
предприятия. Например, на долю автотранспорта приходится около 80 % выбросов
194
Сенсорные системы, датчики и задачи навигации
вредных веществ, 60 % из которых составляет углерод (СО), а вблизи транспортных магистралей с интенсивным движением при неблагоприятных метеоусловиях
и заторах содержание вредных примесей в воздухе превышает допустимые уровни
в десятки раз.
Сложность проведения трудоемких натурных экспериментов для оперативной
и долговременной оценки и прогнозирования состояния воздушной среды приводит к необходимости применения методов математического моделирования (проведение вычислительных экспериментов) в системах экологического мониторинга.
В докладе рассматриваются объединенная модель движения воздушной среды в
приземном слое атмосферы и модель диффузии-конвекции с реакцией (разложением) вредной примеси, выделяемой подвижными и стационарными источниками, с
учетом пространственно-трехмерной геометрии – рельефа и застройки, а также метод определения и оценки их вклада в загрязнение экологически важных зон.
Система уравнений приземной аэродинамики включает уравнения движения
по трем координатным направлениям, уравнение неразрывности, уравнения состояния и транспорта теплоты. Задание геометрии области и граничных условий
при моделировании осуществляется на основе геоинформационной базы данных
(ГИС), позволяющей учитывать особенности рельефа подстилающей поверхности,
включая застройку, с шагом 2-10 метров.
С учетом ГИС решение задачи определим в цилиндрической области G с поверхностью S, состоящей из боковой поверхности Σ , нижнего основания
Σ ( z = δ ( x, y ) ) , верхнего основания Σ ( z = H ) . Характерная высота верх0
h
ней границы области определяется процессами интенсивного переноса загрязнения
и составляет порядка 100 м. Уравнения модели рассматриваются в системе прямоугольных координат ГИС.
Исходными уравнениями модели аэротермодинамики являются [2, 4]:
♦ уравнения движения (Навье–Стокса):
η
′
1
1
′
′
′
ut′ + ( uu ) x + ( vu ) y + ( wu ) z = − p′x + h u′′xx + u′′yy + (ηvu′z ) z ,
ρ
ρ
ρ
)
(
η
′
1
1
′
′
′
vt′ + ( uv ) x + ( vv ) y + ( wv ) z = − p′y + h v′′xx + v′′yy + (ηv v′z ) z , (1)
ρ
ρ
ρ
)
(
η
′
1
1
′
′
′
wt′ + ( uw ) x + ( vw ) y + ( ww ) z = − p′z + h w′′xx + w′′yy + (ηv w′z ) z ;
ρ
ρ
ρ
(
♦
♦
уравнение неразрывности:
ρt′ + ( ρ u )′ x + ( ρ v )′ y + ( ρ w )′ z = 0
уравнение состояния:
ρ=
♦
)
уравнение транспорта теплоты:
p ;
RT
(2)
(3)
′
′
′
′
′′ + T yy
′′ + (ηvTz′ ) z + f . (4)
Tt′ + ( uT ) x + ( vT ) y + ( wT ) z = η Txx
h
(
)
195
Известия ТРТУ
Тематический выпуск
В системе (1)-(4) u ( x, y, z, t ) , v ( x, y, z, t ) , w ( x, y, z, t ) – компоненты вектора скорости в точке с координатами ( x, y, z ) в момент t ,
ρ ( x, y, z, t ) – плотность, p ( x, y, z, t ) – давление, T ( x, y, z, t ) – температура, η – коэффициент турбулентного обмена по горизонтальным направлениям,
ηv
h
коэффициент турбулентного обмена по вертикальному направлению,
f ( x, y, z, t ) – функция тепловых источников.
Используя свойство квазистационарности приземного слоя воздуха [5], можно считать, что влажность слабо зависит от высоты и принимает постоянное значение.
Переходим к описанию решения задачи приземной аэротермодинамики. Известно, что эффективным численным методом решения задач гидроаэродинамики
является MAC-метод. В работе рассматривается вариант данного метода, известный как метод поправки к давлению. Данный метод представляет собой аддитивную схему расщепления по физическим процессам и гарантирует выполнение баланса массы (уравнения неразрывности), являясь устойчивым. В случае сильно
меняющихся давлений и (или) температур возникает необходимость организации
итерационного процесса, позволяющего согласовать распределение скоростей и
плотностей воздушной среды. Для средних городов, подобных Таганрогу, имеющих относительно небольшие размеры, такая ситуация возможна лишь при прохождении атмосферных фронтов. Здесь рассматривается случай относительно небольших изменений давлений и температур в пределах моделируемой области,
когда не требуется организовывать итерационный процесс для взаимного согласования распределений температур, плотностей и давлений.
Система разностных уравнений, аппроксимирующих поставленную выше задачу аэротермодинамики, имеет вид
–
η
1
+ uu o + vu o + wu o = h  u r + u yy  + ηvu z ,
xx
z
τ
ρ
ρ


z
x
y
η
v% − u
1
+ uvo + vv o + wvo = h  v r + v yy  + ηv vz ,
z
τ
 ρ
z ρ  xx
x
y
u% − u
(
)
(
)
η
1
+ uwo + vwo + wwo = h  w r + wyy  + ηv wz ,
z
τ
 ρ
z ρ  xx
x
y
P%xx + P%yy + P%zz = 1  ( ρ u% ) x + ( ρ v% ) y + ( ρ w% ) z  ,
τ

%
P ,
ρ% =
RT
%
ρ
−
ρ
1
Pˆxx + Pˆyy + Pˆzz =
+  ( ρ% u% ) x + ( ρ% v% ) y + ( ρ% w% ) z  ,

τ2 τ 
uˆ − u% = − 1 Pˆ ,
τ
ρ%
x
w% − w
(
( )
196
)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
Сенсорные системы, датчики и задачи навигации
( )
vˆ − v% = − 1 Pˆ ,
τ
ρ%
y
( )
Tˆ − T + uT
ˆ ˆo + vT
ˆ ˆo + wT
ˆ ˆo = ηh (Tˆxx + Tˆyy ) + (ηvTˆzr ) + f ,
τ
z
y
z
x
wˆ − w% = − 1 Pˆ ,
τ
ρ%
z
ˆ
ρˆ = P
RTˆ
.
(12)
(13)
(14)
(15)
К системам (1 – 4) и (5 – 15) необходимо добавить начальные и граничные
условия, на которых мы для краткости не останавливаемся.
Существенной особенностью данной системы является выполнение дискретного аналога уравнения неразрывности.
Алгоритм вычислений состоит в следующем. Вначале по явной схеме осуществляется прогноз значений трехмерного вектора скоростей без учета градиента
давлений (на дробном временном слое) в соответствии с уравнениями (5 – 7). Для
спрогнозированного распределения скоростей вычисляется прогноз распределения
давлений из уравнения (8). Для этого используется итерационный процесс зейделевского типа.
В соответствии с уравнением состояния (9) выполняется прогноз распределения плотности, который используется в уравнении (10) для определения распределения давления на текущем (n+1)-м временном слое итерационным процессом зейделевского типа. Полученное распределение давлений является согласованным с
распределением плотности, удовлетворяющим совместно с распределением скоростей, получаемым из явных уравнений (11–13) на (n+1)-м временном слое, уравнению неразрывности. Далее происходит расчет распределения температур из неявного уравнения (14), для чего также применен итерационный метод. Неявная схема выбрана для повышения запаса устойчивости, что может быть важным в случае
существенных градиентов температуры вблизи земной поверхности. Наконец, полученное распределение давлений и температур позволяет из уравнения состояния
(15) восстановить распределение плотностей на (n+1)-м временном слое.
Уравнение транспорта вредной примеси представляет собой нестационарное
трехмерное уравнение диффузии-конвекции с параметризуемыми коэффициентами
турбулентного обмена и постоянной деструкции, определяемой экспериментально:
ct′ + uc′x + vc′y + wct′ + σ c =
′
′
′
( µcc′x ) x + ( µcc′y ) y + (ηcc′z ) z + fc ( x, y, z, t ) ,
(16)
где c ( x, y, z, t ) – концентрация примеси, u = ( u, v, w ) – вектор скорости движения воздушной среды, σ c - член, учитывающий деструкцию вещества,
fc ( x, y, z, t ) – функция источников загрязняющих веществ, µc и ηc – горизонтальный и вертикальный коэффициенты диффузии.
К уравнению транспорта ЗВ присоединим начальные данные
197
Известия ТРТУ
Тематический выпуск
c = c при t = 0
0
и условия на границе S области G :
c = f s на Σ, t ∈ 0, T  ;
∂c
= αc
∂z
∂c
=0
∂z
(17)
на Σ
0
на
∑H
(18)
.
Стены домов считаются непроницаемыми для ЗВ: из стен не может приходить ЗВ, и оно не может уходить в стены. Это учитывается при расчетах в дискретной модели. Процесс поглощения массивами деревьев ЗВ (сток в крону деревьев) также рассматривается на уровне дискретной модели.
Уравнение транспорта загрязняющих веществ расщепляется на уравнения
конвекции ЗВ и диффузии с реакцией. Конвективное уравнение реализуется на
основе симметричной конечно-разностной схемы, оператор которой кососимметричен в соответствующем сеточном гильбертовом пространстве. Диффузионное
уравнение расщепляется на цепочку двух- и одномерных задач. Двухмерная задача
(двухмерное уравнение параболического типа с младшими производными) для
практических целей может использоваться с постоянными коэффициентами турбулентного обмена по горизонтальным направлениям. Коэффициент вертикального
турбулентного обмена, входящий в уравнение диффузии-конвекции, по вертикальному направлению является переменным и определяется на основе полуэмпирических зависимостей по перепаду высот и ожидаемому градиенту плотности в приземном слое атмосферы.
Эффект влияния подвижных источников (автотранспортных потоков) на окружающую среду в моделях транспорта вредной примеси можно моделировать
наземным линейным источником, очертания которого совпадают с контуром
транспортной сети [1, 2, 3]. Система уравнений, входящих в модели приземной
аэродинамики и транспорта вредной примеси, решается численными методами,
что предусматривает переход от непрерывных к дискретным моделям. При этом
задание геометрии области и граничных условий можно осуществлять на основе
геоинформационной базы данных, что позволяет достаточно точно определить
геометрию транспортных сетей. В этом случае функцию подвижного источника
загрязняющих веществ можно представить в виде
f =
∑ Eni δ ( r − ri ) ,
N
i=1
(19)
где Eni = En ( r , t ) ∆r – количество выбросов ЗВ от подвижного источника в узле
i
i
сетки дискретной модели с координатой r = ( x , y , z ) в момент времени t.
i
i i i
Решение задачи распространения ЗВ от подвижных и стационарных источников с уравнением переноса субстанций в виде (16) и функцией источника, заданной формулой (19), позволяет определить влияние, оказываемое источниками
вредных выбросов на экологическую обстановку в городе. Может оказаться, что в
некоторых районах концентрация ЗВ в воздушной среде достаточно высокая и
превышает санитарно-допустимые нормы. Прежде всего это касается зон отдыха,
территорий школ и больниц и т.д., в пределах которых эти нормы достаточно же198
Сенсорные системы, датчики и задачи навигации
сткие. Поэтому важной является задача определения такого выделения источниками вредных веществ, которое обеспечивает выполнение санитарно-допустимых
норм в экологически важных зонах.
Как уже отмечалось выше, влияние подвижных источников моделируется
совокупностью точечных наземных источников, расположенных в узловых точках.
Пусть в точках r ( i = 1 ÷ N ) расположены источники, выбрасывающие ЗВ с инi
тенсивностью E . Выделим в рассматриваемой области G M экологически важi
ных зон G , в которых заданы предельно допустимые концентрации ЗВ q за
j
интервал времени 0,T  . Перепишем уравнение (16) в операторном виде:
Lc = f
где
L=
при условиях:
,
(20)
∂
∂
∂ ∂
∂ ∂
∂
+ div ( u ⋅) + δ − ηc − µc − µc ,
∂t
∂z ∂z ∂x ∂x ∂y ∂y
(
)
c = f s на
∑,
N
f = ∑ Eiδ r − ri
i =1
∂c
= α c на
∂z
∂с
=0
∂z
j
(21)
(22)
∑0 ,
(23)
на ∑ ,
H
c ( r ,0 ) = c , r ∈ G , t = 0.
0
Здесь α ≥ 0 - характеризует взаимодействие вредных примесей с подстилающей поверхностью; f s - фоновые поступления ЗВ из граничащих с G областей. Если рассматривается периодическая по процессам задача с периодом T , то
рассматривается условие
(24)
c ( r ,0 ) = c ( r , T ) .
Компоненты вектора скорости u связаны в каждый момент времени уравнением неразрывности (2) и условием
w = 0 на ∑ и ∑ .
(25)
H
0
В случае, когда N > M в задачах, требующих оценки E , Г.И.Марчуком [2]
i
рекомендуется перейти к сопряженным уравнениям переноса и диффузии.
Линейному оператору L поставим в соответствие сопряженный оператор
L∗ на основе тождества Лагранжа
c∗, Lc = c, L∗c∗ ,
где L∗ имеет вид
(
) (
)
(26)
199
Известия ТРТУ
Тематический выпуск
∂
∂
∂ ∂
∂ ∂
∂
L∗ = − − div ( u ⋅) + σ − ηc − µc − µc .
∂t
∂z ∂z ∂x ∂x ∂y ∂y
(27)
Тогда сопряженное уравнение принимает вид
L∗c∗ = p,
при условиях:
(28)
c∗ = 0 на ∑ ,
∂c∗
= α c∗ на ∑ ,
0
∂z
(29)
∂c∗
= 0 на ∑ H ,
∂z
c∗ = c∗ при t = T ,
T
c∗ ( r , 0 ) = c ∗ ( r , T ) ,
если имеется соответствующее условие в основной задаче.
Функция p требует уточнения, а (26) можно представить соотношением:
( c∗, f ) = ( c, p ) .
(30)
В этом случае определение функционала
J = ( c, p )
(31)
можно заменить двойственной формулой:
J = c∗, f .
Выбор функции
(
)
(32)
p определяет переход к тому или иному конкретному
функционалу J .
Предполагается, что скалярное произведение для любых двух функций
g и
h в гильбертовом пространстве определено следующим образом:
T
( g , h ) = ∫ dt ∫ gh dG .
(33)
0 G
Рассмотрим решение
N задач вида [2]
(
)
Lci = δ r − ri , i = 1 ÷ N
с нулевыми фоновыми значениями на
фона ЗВ на область G :
(34)
Σ , а также задачу определения влияния
Lcs = 0
(35)
с фоновым условием cs = f s на границе Σ . Тогда решения этого набора задач
с решением основной задачи связаны соотношением
200
Сенсорные системы, датчики и задачи навигации
c=
N
∑ E c +cs .
i=1 i i
Вместо сопряженного уравнения (28) рассмотрим набор из
по отношению к (34) уравнений:
L∗c∗j = p j , j = 1 ÷ M ,
где
1 r ∈ G
j
p j = 
0 r ∉G j


(36)
M сопряженных
(37)
(38)
Тогда из тождества Лагранжа (23) и (26) следует соотношение
 ∗
 
∗ ∗
 c j , Lci  =  ci , L c j 

 

(39)
и, учитывая (32) и (33), получаем значения для функционалов
Jj=
∑ Ei ∫ c∗j ( ri , t )
N
T
i=1
0
T
dt + ∫ dt ∫ cs dG, j = 1 ÷ M ,
0 Gj
(40)
которые определяют величину концентрации ЗВ в областях G ( j = 1 ÷ M ) .
j
Введем следующие обозначения:
( )
T
ϕij = ∫ c∗j ri , t dt ,
0
(41)
T
ψ j = ∫ dt ∫ cs dG ,
(42)
0 Gj
а E 0 – величины, ограничивающие интенсивность источника выделения ЗВ в точi
ке ri (например, для автотранспортного потока определяется его параметрами и
условиями управления дорожным движением). Тогда задачу определения максимально допустимых выбросов ЗВ от подвижных и стационарных источников,
обеспечивающих выполнение санитарно-допустимых норм на концентрацию вредных примесей в экологически важных зонах, можно сформулировать в виде задачи
линейного программирования
N
∑ Ei → max ,
i=1
N
∑ Eiϕij ≤ q j −ψ j ,
i=1
j = 1÷ M ,
(43)
0 ≤ Ei ≤ Ei0 , i = 1 ÷ N ,
где
q j – предельно допустимые нормы на концентрацию ЗВ в зоне G
j
.
201
Известия ТРТУ
Тематический выпуск
Решение задачи (43) позволяет дать верхнюю оценку интенсивности источников загрязняющих веществ.
Предлагаемый в данной работе метод позволяет определить распространение
ЗВ от подвижных и стационарных источников и оценить их влияние на воздушную
среду.
Изложенный выше подход реализован в комплексе программ и опробован в
условиях г. Таганрога.
Программный комплекс позволяет исследовать зависимость концентрации
ЗВ, степень и размеры зоны поражения от интенсивности и расположения источников загрязнения, климатических и метеорологических факторов. При этом учитывается влияние рельефа местности и городской застройки. Результаты моделирования отражают динамическую картину степени загрязнения атмосферного воздуха в виде профилей концентрации ЗВ с привязкой к геоинформационной карте.
Это позволяет просматривать процесс расчета в реальном времени на рельефной
карте города.
С помощью программного комплекса можно также получать профиль изменения концентрации загрязняющего компонента во времени для точки с фиксированными пространственными координатами, что позволяет идентифицировать
“виновников” залповых выбросов в атмосферу.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гадельшин В.К., Сухинов А.А. Модель и комплекс программ для численного расчета пространственно-трехмерных процессов переноса загрязнений от автотранспорта в воздушной
среде города // Труды международного научного симпозиума. М.: 2005. С.12-18.
2. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. – М.: Наука, 1982. – 315с.
3. Уорк К., Уорнер С. Загрязнение воздуха. Источники и контроль. М.: Мир, 1980. – 539с.
4. Колдоба А.В., Повещенко Ю.А., Самарская Е.А., Тишкин В.Ф. Методы математического
моделирования окружающей среды. – М.: Наука, 2000. – 254с.
5. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнений атмосферы. –Л.: Гидрометеоиздат,
1985. – 271с.
УДК 681.311.21
М.Ю. Медведев, В.И. Борзов, В.Х. Пшихопов
ТРТУ, г. Таганрог
АВТОНОМНЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
УСТАНОВКИ
Введение
Роль возобновляемых источников энергии в последние десятилетия значительно возрастает. Они применяются как в качестве альтернативы источникам,
работающим на органическом топливе, так и в ситуациях, когда использование
традиционных источников энергии является затруднительным.
В настоящее время в России возобновляемые источники энергии применяются крайне мало. Например, общая выработка энергии ветроэлектрическими установками составляет порядка 10 МВт. Между тем, Россия обладает громадными
запасами ветровой энергии, которая возникает благодаря поступлению солнечного
202
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
309 Кб
Теги
вредные, условия, оценки, городских, выброса, система, определение, распространение, источников, веществ
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа