CC BY
19
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
UDC 502.3:504.5:629.33
M. M. BILIAIEV1*, O. S. SLAVINSKA2*, R. V. KYRYCHENKO3*
1 Dep. «Hydraulics and Water Supply», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 273 15 09, e-mail water.supply.treatment@gmail.com, ORCID 0000-0002-1531-7882
2*Dep. «Manufacturing and Property Management», National Transport University of Ukraine, Suvorov St., 1, Kyiv, Ukraine, 01010, tel. +38 (044) 280 82 03, e-mail water.supply.treatment@gmail.com, ORCID 0000-0001-5163-5645 3*Dep. «Manufacturing and Property Management», National Transport University of Ukraine, Suvorov St., 1, Kyiv, Ukraine, 01010, tel. +38 (044) 280 82 03, e-mail water.supply.treatment@gmail.com, ORCID 0000-0001-9918-3895
NUMERICAL SIMULATION OF POLLUTION DISPERSION IN URBAN STREET
Purpose. The scientific paper solves the question of 2D numerical model development, which allows quick computation of air pollution in streets from vehicles. The aim of the work is numerical model development that would enable to predict the level of air pollution by using protective barriers along the road. Methodology. The developed model is based on the equation of inviscid flow and equation of pollutant transfer. Potential equation is used to compute velocity field of air flow near road in the case of protection barriers application. To solve equation for potential flow implicit difference scheme of «conditional approximation« is used. The implicit change - triangle difference scheme is used to solve equation of convective - diffusive dispersion. Numerical integration is carried out using the rectangular difference grid. Method of porosity technique («markers method») is used to create the form of comprehensive computational region. Emission of toxic gases from vehicle is modeled using Delta function for point source. Findings. Authors developed 2D numerical model. It takes into account the main physical factors affecting the process of dispersion of pollutants in the atmosphere when emissions of vehicle including protection barriers near the road. On the basis of the developed numerical models a computational experiment was performed to estimate the level of air pollution in the street. Originality. A numerical model has been created. It makes it possible to calculate 2D aerodynamics of the wind flow in the presence of noises and the process of mass transfer of toxic gas emissions from the motorway. The model allows taking into account the presence of the car on the road, the form of a protective barrier, the presence of a curb. Calculations have been performed to determine the contamination zone formed at the protective barrier that is located at the motorway. Practical value. An effective numerical model that can be applied in the development of environmental protection measures for the operation of road transport in the city is considered. The developed model allows estimating sizes, the form and intensity of a zone of pollution at a motorway.
Keywords: air pollution; urban streets; pollution dispersion; numerical simulation
Introduction
Pollution from vehicles in urban streets is very intensive and can cause harm to humans. For this purpose, it is necessary to predict the level of pollution in streets. Physical modeling, in this case, is very expensive [8]. For quick prediction empirical models are used [1]. These models are convenient in practice, especially when we must run many «pilot» calculations. But these models do not take into account some important properties of pollutant dispersion process in streets. The main problem is that the process of air pollution in streets takes part in the region having comprehensive geometrical form (presence of buildings, different obstacles, etc). The alternative way is the numerical simulation of this process. Many authors
apply CFD simulation to solve the problem [1, 3, 6, 8-10]. As a rule, to obtain flow pattern in streets foreign authors use Navier - Stokes equations (this is the model of viscous fluid) coupled with turbulent models. Very often commercial codes are used for this purpose. Worthy of note, that application of Navier - Stokes equations needs application of very fine computational grid during the computational experiment to simulate in detail the process of vortexes formation and their dispersion and interaction in the region. Using the model of viscous fluid, we must use very fine grid inside the boundary layers. This is a real problem if we have big dimensions of the buildings, obstacles in streets. So, in case of Navier - Stokes equations application it is necessary to use powerful PC and every computational experiment consumes much
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
time. This is not convenient when we must run a lot of practical calculations considering different scenario of air pollution in streets and, especially, when we try to find the effective protection measures because in this case we must consider many alternative variants of protection. In this case it would be better to split the study in two steps. At the first step we may find the «satisfying» variant using numerical model which does not consume much time and not take into account some physical features of the process. After that, at the second step, we may use more powerful model to compute in detail the variant of protection which has been chosen. So, for quick calculations at the first step it is important to have CFD models which consume not much computational time but they allow to take into account such important features as obstacles, emission rate, etc.
Purpose
The purpose of this paper is development a numerical model for quick computing of the local air quality near roads.
Aerodynamic equation
To simulate the wind pattern near the road we use model of potential flow. In this case the governing equation is [5]:
d2P d2P
dx dy2
= 0.
(1)
where P is the potential of speed.
The wind velocity components are calculated as follows:
u =-
ар
dx '
v =-
dp
dy
Boundary conditions equation (1) are discussed in [1]. To perform numerical integration of this equation rectangular grid was used.
To solve equation of potential flow (1) we used the difference scheme of «conditional approximation». In this case, first of all, we transformed Eq. 1 to equation having «evolution type» [5]
dp drç
d2 P d2 P
dx2 dy2
(2)
For ^ the solution of equation (2) tends to the solution of equation (1).
After approximation of Eq. 2, we split it in the sequence of two difference equations having implicit form [5]
P 2 _ Pn
'. j '. j
At
1
1 nH—
Pn+1 _ P 2 i. J i. J
1
nH—
_ P..2
h J
+
At
Ax 2
pn+1 pn+1
P+1,j _ Pi. j
1
1
n+—
_ P 2 + P 2
Pi. J + Pi ,j_1
2
Ax2
Ay
pn+1 pn+1 P j+1 _ P, J
Ay2
.(3)
Unknown value of P j can be easily
determined from each difference equation (3) using explicit formulae of «running calculation». As the «initial» condition for Eq. 2 we may use, for, example, P=0 for ^ =0.
Pollutant Transport Equation
To simulate the pollutant dispersion near road equation of convective - diffusive transfer is used [1, 4, 7]
8C 8uC 8vC
dt dx dy
N
= div(^igradC) + XQ (t)5(x - x )5(y - y ) , (4)
¿=1
where C is mean concentration
1 W
C (x, y )=w J"C (^ y, z )z. W 0
W is width of the computational region; u, v are the wind velocity components; ^ = , ) are the diffusion coefficients; Q is rate of emission; S(x - xi ),S(y - yi) — are Dirac delta function; t is time.
Initial and boundary conditions for Eq. 4 are described in [1, 4].
Before solving Eq. (2) we made it's physical splitting into the sequence of three equations. These are the following equations:
d C d uC dvC
where ^ is «fictitious» time.
d t d x
d x
= 0.
(5)
+
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
дC __д_ д t д x
д C д x
V у
д C
д y { д y
-C=Z Qt (t )8(r - r)
where 5(r - ri) is Dirac delta function; ri = (xi, yi) are the coordinates of the point source.
The first equation in (5) describes pollutant transfer along trajectories. The second equation in (5) describes the diffusive dispersion of pollutant. The third equation in (5) describes concentration change under the action of source Q .
To solve the first and the second equations in (5) the implicit change - triangle difference scheme was used [1]. To solve the third equation from (5) Euler method was used [5].
Numerical integration of difference equations is performed using rectangular grid. Values of P, C are determined in the centers of computational cells, values of u, v are determined at the sides of the computational cells. For coding difference equations, we used FORTRAN language.
Findings
Developed numerical model and code were used to compute CO concentrations near road which has barrier at the curb. Numerical simulation was performed for two scenarios. The first one is scenario where barrier has a form of vertical plate (Fig. 1). The second scenario is application of barrier which has additional «short wing» at the top (Fig. 2). «Body» of the vehicle is represented as rectangular. Its form and form of the curb, barrier is represented in numerical model using «markers» (porosity technique). Outlet opening of the vehicle is a passive source of emission. It means that we don't take into account speed of gases which move from it. Arrow indicates the wind direction.
Results of numerical simulations are shown in Fig. 3-5. Fig. 3, 4 represent CO concentration field near road. We can see that application of barrier with «short wing» allows to reduce the width of contaminated zone behind the barrier.
Fig. 1. Sketch of computational region (the first scenario): 1 - vehicle; 2 - source of emission (outlet opening); 3 - plume; 4 - curb; 5 - barrier
Fig. 2. Sketch of computational region (the second scenario):
1 - vehicle; 2 - source of emission (outlet opening); 3 - plume; 4 - curb; 5 - barrier; 6 - «short wing»
Fig. 3. Computed CO concentration (barrier without «wing»)
Fig. 4. Computed CO concentration (barrier with «short wing»)
In Table 1 we present computed CO concentration behind barriers at height ^=1,7 m.
As we can see from Table 1 application of barrier having «short wing» allows reduce CO concentrations near the road.
Worthy of note that computational time was about 5 sec. for each scenario. It allows to use the developed numerical model for practical application when series of computational experiments must be run.
Originality and practical value
A model has been developed to compute concentrations near roads. Numerical model is based on application of mass transfer equation and equation of potential flow.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&шзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
The peculiarity of the developed model is the use quick calculation of contaminated zones and account of geometrical form of vehicle, curb, barriers near the road.
Conclusions
Numerical model for estimating the level of atmospheric air pollution near roads is proposed. Proposed numerical model allows to predict level of pollution with account of geometrical form of vehicle, curb, barriers near the road, intensity of emission rate. The solution of the aerodynamic problem is based on the numerical integration of equation for potential flow. This allows to perform quick calculation of wind pattern near road using PC which are available now in Ukraine. To predict toxic gases concentrations near road convective -diffusive equation is used. Numerical integration of this equation is performed using implicit difference scheme. Using the developed numerical model some numerical experiments were performed to study the influence of barrier form on intensity of local contamination near road.
Further improvement of the model should be carried out in the direction of creating a 3D numerical model.
Table 1
Computed CO concentration at height h =1.7 m
Distance from barrier Concentration (scenario: no wing) Concentration (scenario: short wing)
0.6 m 1.01 mg/m3 0.94 mg/m3
1.0 m 0.95 mg/m3 0.88 mg/m3
1.4 m 0.89 mg/m3 0.82 mg/m3
1.8 m 0.85 mg/m3 0.78 mg/m3
LIST OF REFERENCE LINKS
1. Беляев, Н. Н. Моделирование загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта на улицах городов : монография / Н. Н. Беляев, Т. И. Русакова, П. С. Кириченко. - Днепропетровск : Акцент ПП, 2014. - 159 с.
2. Беляев, Н. Н. Прогноз загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта с учетом химической трансформации вредных веществ / Н. Н. Беляев, Е. С. Славинская, Р. В. Кириченко // Наука та прогрес транспорту. - 2017. - № 3 (69). - С. 15-22. doi: 10.15802/stp2017/104549.
3. Беляев, Н. Н. CFD прогнозирование процесса загрязнения воздушной среды на улицах / Н. Н. Беляев, Т. И. Русакова // Еколопя i природокористування : зб. наук. пр. 1н-ту проблем природокористування та екологи НАН Украши. - Кшв, 2013. - Вип. 17. - С. 188-194.
4. Марчук, Г. И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды / Г. И. Марчук. - Москва : Наука, 1982. - 320 с.
5. Самарский, А. А. Теория разностных схем / А. А. Самарский. - Москва : Наука, 1983. - 616 с.
6. A new simplified NO/NO2 conversion model under consideration of direct NO2-emissions / I. Düring, W. Bächlin, M. Ketzel, A. Baum, U. Friedrich, S. Wurzler // Meteorologische Zeitschrift. - 2011. - Vol. 20. -Iss. 1. - P. 67-73. doi: 10.1127/0941-2948/2011/0491.
7. Berlov, O. V. Atmosphere protection in case of emergency during transportation of dangerous cargo / O. V. Berlov // Наука та прогрес транспорту. - 2016. - № 1 (61). - С. 48-54. doi: 10.15802/stp2016/60953.
8. Nguyen, T. N. Numerical simulation of wind flow and pollution transport in urban street canyons / T. N. Nguyen, T. C. Nguyen, V. T. Nguyen // Advanced Science and Technology Letters. - 2015. - Vol. 120. - P. 770777. doi: 10.14257/astl.2015.120.152.
9. Numerical simulations and wind tunnel studies of pollutant dispersion in the urban street canyons with different height arrangements / Ch.-H. Chang, J.-S. Lin, C.-M. Cheng, Y.-S. Hong // J. of Marine Science and technology. - 2013. - Vol. 21, No. 2. - P. 119-126.
10. Overman, H. T. J. Simulation model for NOx distributions in a street canyon with air purifying pavement: мaster thesis / H. T. J. Overman ; University of Twente. - Enschede, Netherlands, 2009. - 69 р.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
М. М. БШЯеВ1*, О. С. СЛАВГНСЬКА2*, Р. В. КИРИЧЕНКО3*
1 Каф. «Пдравлжа та водопостачання», Днiпропетровський нацiональний ушверситет з^зничного транспорту iменi академiка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Днгпро, Украша, 49010, тел. +38 (056) 273 15 09, ел. пошта water.supply.treatment@gmail.com, ОЯСГО 0000-0002-1531-7882
2*Каф. «Управлгння виробництвом та майном», Нацiональний транспортний ушверситет, вул. Суворова, 1, Кив, Украша, 01010, тел. +38 (044) 280 82 03, ел. пошта water.supply.treatment@gmail.com, ОЯСГО 0000-0001-5163-5645 3*Каф. «Управлгння виробництвом та майном», Нацюнальний транспортний ушверситет, вул. Суворова, 1, Кшв, Украша, 01010, тел. +38 (044) 280 82 03, ел. пошта water.supply.treatment@gmail.com, ОЯСГО 0000-0001-9918-3895
ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РОЗПОВСЮДЖЕННЯ ЗАБРУДНЕННЯ НА М1СЬК1Й ВУЛИЦ1
Мета. У науковш статтi необхвдно виршити питання щодо розробки 2Б чисельно! моделi, яка дозволила б швидко розрахувати процес забруднення атмосферного повиря викидами автотранспорту. Передбачено також створити чисельну модель, що давала б можливють прогнозувати рiвень забруднення атмосферного повггря при використаннi захисних бар'eрiв бiля дороги. Методика. Використано розроблену модель, яка базуеться на рiвняннi нев'язко! рiдини та рiвняннi масопереносу. Рiвняння для потенцiалу швидкостi вико-ристовуеться для розрахунку поля швидкосп повiтряного потоку при експлуатацп бар'ерiв. При вирiшеннi рiвняння для потенщалу швидкостi задiяна неявна рiзницева схема «умовно! апроксимаци». Для чисельного ршення задачi масопереносу вживаеться неявна поперемшно-трикутна рiзницева схема. Чисельне штегру-вання здiйснюеться на прямокутнiй рiзницевiй сгтщ. Для формування складно! форми розрахунково! областi використовуються маркери, а для моделювання джерела емки - модель точкового джерела, яка формуеться за допомогою дельта-функцп Ддрака. Результата. Авторами розроблено 2Б чисельну модель, яка враховуе основш фiзичнi фактори, що впливають на процес розсшвання шшдливих речовин в атмосферi при викидах вiд автотранспорту з урахуванням розмщення захисних бар'ерiв бiля дороги. На основi побудованих чисе-льних моделей проведено обчислювальний експеримент iз оцшки рiвня забруднення повiтряного середови-ща на вулицi. Наукова новизна. Створено чисельну модель, яка дозволяе розрахувати 2Б аеродинамшу вiтрового потоку в умовах наявносп перешкод та процес масопереносу викидiв токсичних газiв вщ автотра-си. Модель дозволяе враховувати наявшсть автомобiля на дорозi, форму захисного бар'еру, присутшсть бордюру. Виконано розрахунки по визначенню зони забруднення, що формуеться б™ захисного бар'еру, роз-ташованого бiля автомапстралг Практична значимiсть. Розглянута ефективна чисельна модель, яка може бути застосована при розробщ заходiв iз охорони навколишнього середовища при експлуатацп автомобшь-ного транспорту в мiстi. Розроблена модель дозволяе оцшити розмiри, форму та штенсившсть зони забруднення бшя автомагiстралi.
Ключовi слова: забруднення атмосфери; мюьш вулицi; поширення забруднень; чисельне моделювання
Н. Н. БЕЛЯЕВ1*, О. С. СЛАВИНСКАЯ2*, Р. В. КИРИЧЕНКО3*
1 Каф. «Гидравлика и водоснабжение», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 273 15 09, эл. почта water.supply.treatment@gmail.com, ОЯСГО 0000-0002-1531-7882
2*Каф. «Управление производством и имуществом», Национальный транспортный университет, ул. Суворова, 1, Киев, Украина, 01010, тел. +38 (044) 280 82 03, эл. почта water.supply.treatment@gmail.com, ОЯСГО 0000-0001-5163-5645 3*Каф. «Управление производством и имуществом», Национальный транспортный университет, ул. Суворова, 1, Киев, Украина, 01010, тел. +38 (044) 280 82 03, эл. почта water.supply.treatment@gmail.com, ОЯСГО 0000-0001-9918-3895
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ГОРОДСКОЙ УЛИЦЕ
Цель. В научной статье необходимо решить вопрос разработки 2Б численной модели, которая позволила бы быстро рассчитать процесс загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта. Предполагается также создать численную модель, которая давала б возможность прогнозировать уровень загрязнения атмосферного воздуха при использовании защитных барьеров у дороги. Методика. Использо-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
вана разработанная модель, основанная на уравнении невязкой жидкости и уравнении массопереноса. Уравнение для потенциала скорости используется для расчета поля скорости воздушного потока при эксплуатации барьеров. При решении уравнения для потенциала скорости задействована неявная разностная схема «условной аппроксимации». Для численного решения задачи массопереноса употребляется неявная попеременно-треугольная разностная схема. Численное интегрирование осуществляется на прямоугольной разностной сетке. Для формирования сложной формы расчетной области применяются маркеры. А для моделирования источника эмиссии - модель точечного источника, которая моделируется с помощью дельта-функции Дирака. Результаты. Авторами разработана 2D численная модель, которая учитывает основные физические факторы, влияющие на процесс рассеивания вредных веществ в атмосфере при выбросах от автотранспорта с учетом размещения защитных барьеров у дороги. На основе построенных численных моделей проведен вычислительный эксперимент по оценке уровня загрязнения воздушной среды на улице. Научная новизна. Создана численная модель, которая позволяет рассчитать 2D аэродинамику ветрового потока в условиях наличия помех и процесс массопереноса выбросов токсичных газов от автотрассы. Модель позволяет учитывать наличие автомобиля на дороге, форму защитного барьера, присутствие бордюра. Выполнены расчеты по определению зоны загрязнения, формируемой у защитного барьера, который расположен у автомагистрали. Практическая значимость. Рассмотрена эффективная численная модель, которая может быть применена при разработке мероприятий по охране окружающей среды при эксплуатации автомобильного транспорта в городе. Разработанная модель позволяет оценить размеры, форму и интенсивность зоны загрязнения у автомагистрали.
Ключевые слова: загрязнение атмосферы; городские улицы; распространение загрязнений; численное моделирование
REFERENCES
1. Biliaiev, M. M., Rusakova, T. I., & Kirichenko, P. S. (2014). Modelirovaniye zagryazneniya atmosfernogo vozduha vybrosami avtotransporta na ulicah gorodov [Monograph]. Dnipropetrovsk: Aktsent PP.
2. Biliaiev, M. M., Slavinska, O. S., & Kyrychenko, R. V. (2017). Prediction of atmospheric air pollution by emissions of motor transport taking into account the chemical transformation of harmful substances. Science and Transport Progress, 3(69), 15-22. doi:10.15802/stp2017/104549
3. Biliaiev, M. M., & Rusakova, T. I. (2013). CFD prediction of air pollution in the streets. Ecology and Nature Management, 17, 188-194.
4. Marchuk, G. I. (1982). Matematicheskoye modelirovaniye v probleme okruzhayushchey sredy. Moscow: Nau-ka.
5. Samarskiy, A. A. (1983). Teoriya raznostnykh skhem. Moscow: Nauka.
6. Düring, I., Bachlin, W., Ketzel, M., Baum, A., Friedrich, U., & Wurzler, S. (2011). A new simplified NO/NO2 conversion model under consideration of direct NO2-emissions. Meteorologische Zeitschrift, 20 (1), 67-73. doi:10.1127/0941-2948/2011/0491
7. Berlov, O. V. (2016). Atmosphere protection in case of emergency during transportation of dangerous cargo. Science and Transport Progress, 1(61), 48-54. doi:10.15802/stp2016/60953
8. Nguyen, T. N., Nguyen, T. C., & Nguyen, V. T. (2015). Numerical simulation of wind flow and pollution transport in urban street canyons. Advanced Science and Technology Letters, 120, 770-777. doi:10.14257/astl.2015.120.152
9. Chang, C.-H., Lin, J.-S., Cheng, C.-M., & Hong, Y.-S. (2013). Numerical simulations and wind tunnel studies of pollutant dispersion in the urban street canyons with different height arrangements. Journal of Marine Science and Technology, 21(2), 119-126.
10. Overman, H. T. J. (2009). Simulation model for NOx distributions in a street canyon with air purifying pavement. (Master thesis). University Twente, Netherlands.
Prof. S. A. Pichugov, Dr. Sc. in Phys.-and-Math. (Ukraine); Prof. S. Z. Polishchuk, D. Sc. (Tech.), (Ukraine) recommended this article to be published
Received: April 10, 2017
Accessed: July 21, 2017
