CC BY
27
© П.В. Амосов, H.B. Новожилова, 2015
УДК 622.4 + 519.67
П.В. Амосов, Н.В. Новожилова
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ГРАДИЕНТА НА ФОРМИРОВАНИЕ МЕТЕОПОЛЕЙ АТМОСФЕРЫ КАРЬЕРА (НА БАЗЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ)*
Представлены результаты исследования влияния градиента температуры на формирование полей аэротермодинамических параметров в атмосфере карьера. Задача решается в пространстве реального масштаба карьера «Железный» Ковдорского ГОКа в двухмерной постановке с помошью программного комплекса СОМБОЬ. Для исследования неизотермического потока воздуха объединены модифицированные уравнения модели несжимаемой жидкости (Навье-Стокса и неразрывности с учетом зависимости плотности от времени) и уравнения теплопереноса. Промоделирована динамика формирования метеорологических полей внутри карьера при вариации скорости набегаюшего ветрового потока для двух вариантов: нейтральный класс устойчивости атмосферы меняется либо на умеренную конвекцию, либо на инверсию. Отмечены наиболее сушественные особенности формирования полей температуры и плотности воздуха внутри карьера. Результаты анализа численных экспериментов по симуляции смены класса устойчивости атмосферы свидетельствуют о достаточно объективной физической картине поведения пространственно-временных распределений температуры, скорости, плотности и давления. Продемонстрирована динамика образования внутри карьера, как инверсионного условия состояния атмосферы, препятствуюшего эффективному рассеиванию загрязнений, так и формирования такого состояния, когда более теплый (легкий) воздух (при принятых краевых условиях) сосредотачивается в чаше карьера. Ключевые слова: численное моделирование, карьер, аэротермодинамические процессы, градиент температуры воздуха, конвекция, инверсия.
Л энная работа является естественным продолжением исследований авторов по созданию компьютерных моделей на базе кода СОМБОЦ позволяющих выполнять численное моделирование аэротермодинамических процессов в пространстве карьера в двухмерной постановке. В докладе, представленном на
Исследования выполнены по Программе фундаментальных исследований Президиума РАН «Поисковые фундаментальные научные исследования в интересах развития Арктической зоны Российской Федерации» в рамках проекта «Обоснование стратегии освоения месторождений твердых полезных ископаемых Арктической зоны. Теоретические и экспериментальные исследования по разработке новых технологий их эксплуатации с обеспечением снижения негативной нагрузки на природную среду» (научный руководитель - академик РАН Н.Н. Мельников).
конференции 2014 г. «Экологическая стратегия развития горнодобывающей отрасли - формирование нового мировоззрения в освоении природных ресурсов», была продемонстрирована работоспособность разработанной СРЭ-модели аэротермодинамических процессов в атмосфере карьера в пространстве реального масштаба в двухмерной постановке [1].
Напомним, что для исследования неизотермического потока воздуха объединены модифицированные уравнения модели несжимаемой жидкости (Навье-Стокса с учетом вклада тензора вязкого напряжения и неразрывности с учетом зависимости плотности от времени) и уравнение теплопереноса. Интегрируемыми переменными в задаче выступают компоненты скорости, давление и температура. Учет изменения плотности воздуха р в зависимости от температуры
' т — Т ^
Т осуществляется посредством соотношения р = р— 1--— ,
V Т— )
где символ «бесконечность» соответствует значению плотности и температуре поступающего воздуха. Эффект свободной конвекции в уравнениях сохранения момента импульса (для вертикальной составляющей) учитывается в форме приближения Буссинеска = (р— — р) д , где д - ускорение свободного падения.
В настоящей статье представлены результаты исследований по изучению влияния градиента температуры у на формирование полей аэротермодинамических параметров в атмосфере карьера. При этом, следуя терминологии авторов учебного пособия [2] (см. табл.), далее будет использоваться простейшая классификация (Паскуилла) категорий стабильности по вертикальному градиенту температуры.
Общеизвестно, что состояние устойчивости или неустойчивости атмосферы могут как уменьшать, так и увеличивать эффект рассеивания загрязняющих веществ [3]. Например, в случае сверхадиабатической стратификации выброс загрязняющих веществ в виде дымового факела (аналог взрывных работ при открытой разработке полезных ископаемых) приводит к их более эффективному рассеиванию на большой высоте. В случае же нададиабатической стратификации факел, имея меньшую подъемную силу, рассеивается на меньшей высоте, создавая более высокие концентрации вредных веществ в жизненно важном приземном слое атмосферы. Поэтому знание и умение прогнозировать формирование метеополей в районе проведения открытых горных работ имеет достаточно важное народнохозяйственное значение.
Таблица
Классификация классов устойчивости по Паскуиллу [2]
у, °С/на 100 м Класс устойчивости
< -1,9 А - сильная конвекция
-(1,9-1,7) В - конвекция
-(1,7-1,5) С - умеренная конвекция
-(1,5-0,5) 0 - нейтральная
-0,5-+1,5) Е - инверсия
+(1,5-4,0) и более Р - сильная инверсия
Как и в предыдущих работах [1, 4], в качестве объекта моделирования выбран карьер «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» с его высотными отметками на начало 2014 г. Проанализированы ситуации формирования метеополей в сечении карьера «Железный» запад-восток. В качестве начального распределения температуры в области моделирования вдоль вертикальной оси T(y) = T0 + у ■ (y + 180) задавался нейтральный класс устойчивости: у = -0,01 °С/м, T0 = 5 °С [2] (адиабатическое распределение температуры по высоте).
Реализованная компьютерная модель позволяет промоделировать формирование любой из представленных в таблице ситуаций или их смену по классу устойчивости атмосферы. В данной публикации рассматривалась динамика формирования метеополей в пространстве карьера для двух ситуаций поступления атмосферного воздуха на входной (западной границе модели):
Вариант А с умеренной конвекцией (у =-0,016 °С/м,
T0 = 6 °С [2]; класс устойчивости D меняется на С);
Вариант Б с инверсией (у = +0,01 °С/м, T0 = 6 °С [2, 3]; класс устойчивости D меняется на £).
В обеих ситуациях на входной границе использовался логарифмический профиль скорости ветра. При этом значение скорости ветра на высоте 10 м от земной поверхности входной границы варьировалась: 1, 4 и 7 м/с, а уровень шероховатости принят равным 0,05 м. Динамика метеополей в пространстве карьера анализировалась с фиксированным временным шагом.
На рис. 1, а-е (см. Приложение, с. 456) представлена динамика распределения температуры при вариации скорости ветра (а, г - 1 м/с; б, д - 4 м/с; в, е - 7 м/с) в вертикальном сечении в варианте А и варианте Б (координата X =-2000 м, что соответствует практически центру подошвы карьера), соответственно. Время в легенде приведено в секундах.
Отметим некоторые наиболее существенные особенности формирования температурных полей непосредственно в области карьера, т.е. до вертикальной отметки около 200 м.
Влияние скорости ветрового потока на начальном этапе моделирования неоднозначно. Об этом свидетельствуют весьма разнообразное поведение температурных распределений на одинаковые моменты времени, когда температурные градиенты могут иметь противоположные знаки. Безусловно, определяющим фактором такого поведения кривых является постоянно меняющиеся пространственные распределения метеополей.
Кривые рис. 1 позволяют заметить неравномерность изменения температуры внутри карьера, когда за одинаковые временные промежутки положение кривых изменяется на различные расстояния. Например, в варианте Б при минимальной скорости ветра знак градиента температуры не меняется и остается отрицательным на всем протяжении моделирования, а при максимальной рассмотренной скорости ветра аналогичный параметр уже примерно через 6—7 минут выходит на нулевой температурный градиент и далее на непродолжительное время переходит в инверсионное состояние.
Вне карьера есть безусловная пропорциональная зависимость в скорости установления температурного градиента поступающего воздуха: с увеличением скорости ветрового потока кривые распределения температуры за существенно меньшее время выстраиваются в соответствии со знаком и величиной температурного градиента поступающего воздуха. Особенно четко такое поведение просматривается в варианте Б (см. рис. 1, г, д, е), а в варианте А (см. рис. 1, в) при максимальной скорости ветра.
Дополнительно на рис. 2и3 (см. Приложение, с. 457) представлена динамика (с шагом 2 минуты) пространственного распределения температуры, поля скорости и линий тока в области моделирования для сечения запад-восток при скорости ветра 7 м/с для вариантов А и Б, соответственно. Одновременно, на каждом графическом фрагменте отображается и поле скорости (в форме пропорциональных стрелок).
Следует отметить хорошее качественное согласие динамики распределения температуры с естественной физикой процесса. Например, в варианте А (см. рис. 2), при поступлении атмосферного воздуха с умеренной конвекцией, более прогретый на начальный момент времени воздух в чаше карьера устремляется из него.
В варианте Б, в случае поступления атмосферного воздуха с инверсией (см. рис. 3), охлажденный воздух сосредотачивается внутри
карьера. В результате перед неровностью на поверхности, а также в чаше самого карьера достаточно продолжительное время сохраняется прохладный воздух, обеспечивая инверсионное состояние атмосферы, затрудняющее рассеивание загрязняющих веществ.
В качестве примера на рис. 4, а, б (см. Приложение, с. 457) представлены пространственные распределения плотности, поля скорости и линий тока в области моделирования для вариантов А и Б, соответственно, на более продолжительное время расчета (порядка 48 минут). Прекрасно видно, что в случае инверсионного состояния (рис. 4, б) поступающего воздуха в углублении карьера сосредотачивается более прохладный (тяжелый) воздух. Тогда как в случае варианта А именно по нижней области карьера распространяется более прогретый (легкий) воздух в соответствии с температурным градиентом поступающего воздуха.
Таким образом, на базе, реализованной в программной среде СОМЭОЦ компьютерной модели выполнена симуляция аэротермодинамических процессов применительно к карьерам при различных температурных градиентах поступающего с различной скоростью воздуха. На данном этапе решена проблема задания в области моделирования аккуратного начального распределения температуры и использования логарифмического профиля скорости на входной границе модели.
Результаты анализа численных экспериментов по симуляции смены класса устойчивости атмосферы свидетельствуют о достаточно объективной физической картине поведения пространственно-временных распределений температуры, скорости, плотности и давления. В частности, продемонстрирована динамика образования внутри карьера, как инверсионного условия состояния атмосферы, препятствующего эффективному рассеиванию загрязнений, так и формирования такого состояния, когда более теплый (легкий) воздух (при принятых краевых условиях) сосредотачивается в чаше карьера.
Представляется, что достигнутый уровень понимания моделируемых физических процессов позволяет приступить к симуляциям конвективно-диффузионного переноса загрязнений с учетом температурного фактора.
Кроме того, представляется разумным и целесообразным проанализировать и реализовать на базе программного продукта СОМЭОЬ подход фоновой стратификации, ранее апробированный в КНЦ РАН Баклановым А.А., Ёуковским В.Д. и Ригиной О.Ю. на базе собственных программных разработок [5, 6].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Амосов П.В., Новожилова Н.В. Двухмерное численное моделирование аэротермодинамики атмосферы карьера // Сб. докл. Всерос. науч. — техн. конф. с участием иностранных специалистов «Экологическая стратегия развития горнодобывающей отрасли - формирование нового мировоззрения в освоении природных ресурсов». 13-15 октября 2014 г., Апатиты; СПб.:«Реноме», 2014. Т. 1. С. 153-159.
2. Швыряев А.А., Меньшиков В.В. Оценка риска воздействия загрязнения атмосферы в исследуемом регионе: Учебное пособие для вузов. - М.: Изд-во МГУ, 2004. - 124с.
3. Температурная стратификация атмосферы и инверсия температуры [Электронный ресурс] http://allrefs.net/c54/3rjyb/p20/ (дата обращения 25.01.2015)
4. Козырев С.А., Амосов П.В. Моделирование распределения воздушных потоков в глубоких карьерах // Горный журнал. 2014. № 5. С. 7-11.
5. Бакланов А.А. Численное моделирование в рудничной аэрологии. -Апатиты: изд. Кольского филиала АН СССР, 1987. - 200 с.
6. Бакланов А.А., Чуковский В.Д., Ригина О.Ю. Современные представления о вентиляции карьеров. - Апатиты: изд. КНЦ РАН, 1995. - 52 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Амосов П.В. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, vosoma@goi.kolasc.net.ru,
Новожилова Н.В. - научный сотрудник,паН966^@таП.ги,
Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук.
UDC 622.4 + 519.67
STUDY OF THERMAL GRADIENT IMPACT ON FORMATION OF METEOROLOGICAL FIELDS IN OPEN-PIT ATMOSPHERE (BASED ON NUMERICAL MODELING)
Amosov P.V., Ph.D. (Eng), senior researcher, vosoma@goi.kolasc.net.ru, Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia, Novozhilova N.V., researcher, nat1966kis@mail.ru, Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia.
The paper presents investigation results concerning the thermal gradient impact on forming fields of aerothermodynamical parameters in the open-pit atmosphere. The task is solved in real-scale space in
2D setting with COMSOL software. In order to study non-isothermal air flow the authors have joined modified equations of a model of incompressible fluid (the Navier-Stokes model and a continuity model with accounting density-time dependence) and heat transfer equations. Dynamics in forming meteorological fields inside an open-pit has been simulated when varying velocity of incoming wind current for two variants: neutral class of atmosphere stability changes to moderate convection or to inversion. The most significant features in forming fields of temperature and air density inside the open-pit have been highlighted. Numerical testing analysis results on simulating change of atmosphere stability class indicate a considerably objective physical image of behavior of space-time distributions of temperature, velocity, density and pressure. Dynamics of generation of two in-pit atmospheric states has been demonstrated: an inversion state preventing effective dispersion of pollutants, and a state when warmer (light) air is accumulated into the open-pit' basin under boundary conditions accepted. The achieved level of understanding of physical processes simulated allows simulations of convection-diffusion transfer of pollutants with accounting a temperature factor.
Key words: numerical modeling, open-pit, aerothermodynamical processes, aerial thermal gradient, convection, inversion.
REFERENCES
1. Amosov P. V., Novozhilova N.V. Dvukhmernoe chislennoe modelirovanie aehrotermodinamik atmosfery kar'era (Two-dimensional numerical simulation of the aerothermodynamics of atmospheric career) // Sb. dokl. Vseros. nauch.-tekhn. konf. s uchastiem inostrannykh spetsialistov «Ehkologicheskaya strategiya razvitiya gornodobyvayushhej otrasli, formirovanie novogo mirovozzreniya v osvoenii prirodnykh resursov». 13-15 oktyabrya 2014, Apatity; SP.:«Renome», 2014. V. 1. pp. 153-159.
2. Shvyryaev A.A., Men'shikov V.V. Otsenka riska vozdejstviya zagryazneniya atmosfery v issleduemom regione (Evaluation of risk of impact of atmospheric pollution in the study area: textbook for universities): Uchebnoe posobie dlya vuzov. Moscow: Izd-vo MGU, 2004. 124 p.
3. Temperaturnaya stratifikatsiya atmosfery i inversiya temperatury (The atmospheric temperature stratification and temperature inversion) [Ehlektronnyj resurs] http://allrefs.net/ c54/3rjyb/p20/ (data obrashheniya 25.01.2015).
4. Kozyrev S.A., Amosov P.V. Modelirovanie raspredeleniya vozdushnykh potokov v glubokikh kar'erakh (Modeling the distribution of air flow in deep open pit mines) // Gornyj zhurnal. 2014. No 5. pp. 7-11.
5. Baklanov A.A. Chislennoe modelirovanie v rudnichnoj aehrologii (Numerical modelling in mine aerology). Apatity: izd. Kol'skogo filiala AN SSSR, 1987. 200 p.
6. Baklanov A.A., Lukovskij V.D., Rigina O.Yu. Sovremennye predstavleniya o ventilyatsii kar'erov (Modern views on the ventilation of quarries). Apatity: izd. KNTS RAN, 1995. 52 p.
