CC BY
72
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 6 (66)
ЕКОЛОГ1Я НА ТРАНСПОРТ!
УДК [502.3:504.5]:[656.225:622.33]
Н. Н. БЕЛЯЕВ1*, М. О. ОЛАДИПО2*
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 [email protected], ORCID 0000-0002-1531-7882
2*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 [email protected], ORCID 0000-0001-7945-6657
ПРОБЛЕМА УНОСА УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ
Цель. В работе необходимо провести разработку 2D численных моделей для прогноза загрязнения атмосферы при транспортировке сыпучих грузов в железнодорожном вагоне, а также способа защиты окружающей среды и примагистральных территорий от уноса пыли из полувагонов за счет установки воздушных завес. Методика. Для решения поставленной задачи разработаны численные модели, основанные на применении уравнений движения невязкой несжимаемой жидкости и массопереноса. Для численного интегрирования уравнения транспорта загрязнителя использовалась неявная разностная схема. Для численного интегрирования 2D уравнения для потенциала скорости применяется метод суммарной аппроксимации. Разработанные численные модели составляют основу созданного пакета прикладных программ. На основе построенных численных моделей проведен вычислительный эксперимент по оценке уровня загрязнения атмосферы при уносе угольной пыли из полувагона и наличии воздушной завесы. Результаты. Разработаны 2D численные модели, которые относятся к классу «diagnostic models». Данные модели учитывают основные физические факторы, влияющие на процесс рассеивания пылевых загрязнений в атмосфере при транспортировке сыпучих грузов. Разработанные численные модели позволяют рассчитывать процесс уноса пыли с учетом применения воздушной завесы, установленной на полувагоне. Они требуют небольших затрат компьютерного времени при практической реализации на компьютерах малой и средней мощности. Выполнены расчеты по определению концентрации загрязнителя и формирования зоны загрязнения вблизи вагона с сыпучим грузом в масштабе «microscale» с учетом воздушных завес. Научная новизна. Созданы 2D численные модели, позволяющие учесть существенные факторы, влияющие на процесс рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере, и формирование зоны загрязнения при перевозке сыпучих грузов железнодорожным транспортом. Разработан способ защиты атмосферы от загрязнения при сносе сыпучих грузов с железнодорожного вагона, который основан по принципу воздушной завесы. Практическая значимость. Рассмотрены эффективные численные модели, которые могут быть применены при разработке мероприятий по охране окружающей среды при эксплуатации железнодорожного транспорта. Предложенные модели позволяют рассчитать 2D гидродинамику ветрового потока, с учетом установленной воздушной завесы, и процесс массопереноса вредных веществ в атмосфере.
Ключевые слова: загрязнение атмосферы; полувагон; перевозка сыпучих грузов; численное моделирование; воздушная завеса
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 6 (66)
Введение
В Нигерии происходит интенсивная добыча угля. Это приводит к формированию двух больших проблем, с точки зрения экологической безопасности и охраны труда. Первая проблема - унос угольной пыли при транспортировке угля железнодорожным транспортом (рис. 1). Такой унос угольной пыли приводит к загрязнению путей, примагистральной территории и рабочих зон на территории шахт или предприятиях, где используется уголь.
Вторая проблема - унос угольной пыли от штабелей угля или при его погрузке, разгрузке. В данной работе будет рассматриваться решение первой проблемы.
Рис. 1. Полувагон для транспортировки угля в Нигерии
Fig. 1. The railway gondola car for coal transportation in Nigeria
В рамках первой проблемы можно выделить две задачи. Первая задача - это прогноз уровня загрязнения окружающей среды при уносе угольной пыли из движущегося состава. Вторая задача - разработка методов, позволяющих уменьшить интенсивность загрязнения окружающей среды при уносе угольной пыли. В настоящее время для решения первой задачи по оценке уровня загрязнения окружающей среды используются эмпирические или аналитические модели [3-6, 10, 12]. Данные модели не учитывают ряд физических факторов, которые существенно влияют на формирование концентрационного поля пыли в атмосфере. Можно утверждать, что в настоящее время существует определенный дефицит математических моделей для решения этой задачи.
Для решения второй задачи используется подача специальных растворов на груз или штабель угля [2]. Если транспортируется уголь, добытый в карьере, то возможно его смачивание водой. Каждый из методов имеет свои достоинства и недостатки, но актуальной задачей остается разработка альтернативных методов, обладающих определенной эффективностью и не требующих больших экономических затрат при практической реализации.
Цель
Целью данной работы является разработка 2Б численной модели для прогноза уровня загрязнения атмосферы при эмиссии угольной пыли из полувагона. Ставится задача создания модели, которая позволяла бы рассчитывать процесс уноса пыли с учетом применения воздушной завесы, установленной на полувагоне, и тем самым служит инструментом решения задачи по оценке эффективности применения данного метода защиты для различных условий эксплуатации транспортных средств.
Методика
Для уменьшения интенсивности выноса угольной пыли из полувагона предлагается использовать самоиндуцированную воздушную завесу. Идея работы такой завесы заключается в следующем. По периметру вагона, в верхней его части, размещаются воздуховоды, которые имеют сверху перфорацию для выхода воздуха. Схема расположения воздуховодов показана на рис. 2. Концы каждого воздуховода открыты, но имеют обратный клапан, как например, для воздуховода, расположенного на боковых сторонах полувагона (рис. 3).
При движении полувагона в тот конец воздуховода, который направлен по направлению движения поезда, начинает поступать воздух.
Входящий в воздуховод поток воздуха открывает клапан 4 (рис. 3), при этом клапан 5 -закрывается. Поступивший воздух движется через перфорацию (щель) наружу. Этот процесс условно показан на рис. 3 волнистыми стрелками. Таким образом, при движении вагона возникает вертикальная воздушная струя, которая как экран, расположенный по периметру полувагона, препятствует выносу угольной пыли на примагистральную территорию.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&шзничного транспорту, 2016, № 6 (66)
Рис. 2. Схема размещения воздуховодов на корпусе полувагона:
1 - воздуховод, расположенный вдоль боковой стенки полувагона; 2 - воздуховод, расположенный на торцевых стенках полувагона; 3, 4 - перфорация в воздуховодах
Fig. 2. Sketch of ducts set on the gondola car:
1 - a duct along the gondola car; 2 - a duct across the gondola car; 3, 4 - the perforations in the ducts
д 2ф д 2ф
дх2 ду2
= 0,
(1)
где ф - потенциал скорости, ось У направлена вертикально вверх (рис. 2).
Компоненты вектора скорости воздушного потока рассчитываются по зависимостям:
и =
дф дф
дх
V = ■
ду
Постановка краевых условий для данного уравнения рассматривается в работах [1, 13].
После определения поля скорости воздушного потока возле полувагона, на втором этапе, решается задача о переносе пылевых загрязнений из полувагона в атмосферу. Для построения наиболее общей математической модели будем использовать фундаментальное уравнение массопереноса [1, 4, 6, 14, 15, 16]:
дС_
dt
диС ö(v - Wg )С
дх
öy
= div (цgradC )-
(t)5(x - x,. )5(y - у), (2)
i=1
Рис. 3. Схема воздуховода:
1 - вход воздушного потока; 2 -направление движения полувагона; 3 - седло клапана; 4, 5 - клапаны
Fig. 3. Sketch of the duct:
1 - inlet; 2 - direction of gondola car movement;
3 - valve seat; 4, 5 - valves
Варьируя площадь входных отверстий воздуховода, площадь его поперечного сечения, площадь перфорации, на основе аэродинамического расчета, определяется скорость воздушного потока в воздушной завесе и ее величина, в зависимости от скорости движения состава
[7, 8].
Математическая модель. Расчет процесса уноса угольной пыли из полувагона проводится в два этапа. На первом этапе решается задача по определению поля скорости воздушного потока, с учетом взаимодействия его с полувагоном и воздушной завесой. Для решения этой задачи применяется уравнение для потенциала скорости (модель течения невязкой идеальной жидкости) [13]:
где С - концентрация загрязняющего вещества (пылевой загрязнитель); и,V - компоненты вектора скорости воздушного потока; ц = (ц,х, цу)
- коэффициенты атмосферной турбулентной диффузии; Q - интенсивность выброса загрязнителя от «насыпи» в полувагоне или от штабеля угля; 5(х - )5(у - у ) - дельта-функция Дирака; xi, yi - координаты источника выброса; ^ - скорость гравитационного оседания
пыли; ^ - время.
Постановка краевых условий для данного уравнения рассмотрена в работах [1, 13].
В разработанной численной модели используются следующие зависимости для задания профиля ветра и коэффициентов атмосферной диффузии [3, 5]:
и = и
( V У1
Ц у = k1
' у '
У1
Цх = k0u,
где и1 - скорость ветра на высоте yi (принимается
у »10м); k1 = 0,2; k0 = 0,1; p = 0,16; m »1.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 6 (66)
Численное интегрирование уравнений модели выполняется на прямоугольной разностной сетке. При формировании расчетной области используется метод маркирования [1, 13, 14]. С помощью маркеров задается положение железнодорожного вагона, форма «насыпи» сыпучего груза в полувагоне, положение отверстий воздуховода, через которые поступает воздух завесы.
Для решения моделирующих уравнений (1), (2) используется метод сеток. Уравнение для потенциала скорости численно интегрируется с помощью метода условной аппроксимации [11].
Для численного интегрирования уравнения массопереноса (2) применяется неявная разностная схема расщепления [1, 13, 15].
На основе построенных численных моделей создан пакет прикладных программ («generic model»). Для проведения расчетов на базе этого пакета программ необходимо задать:
1. Класс устойчивости атмосферы.
2. Профиль скорости ветра, скорость вагона, скорость воздушной завесы.
3. Форму насыпи сыпучего груза в полувагоне.
Интенсивность выделения пыли от насыпи в полувагоне рассчитывается на базе эмпирических зависимостей [16].
Отметим, что время расчета задачи в 2D постановке составляет порядка 5 с.
Результаты
Разработанные численные модели относятся к классу «diagnostic models». Данные модели могут быть использованы для быстрого серийного расчета загрязнения воздушной среды для разнообразных сценариев транспортировки сыпучих грузов в полувагонах. Построенные модели позволяют оперативно получить картину формирующихся зон загрязнения при сдуве пыли и при использовании воздушной завесы, созданной на стенках полувагона.
На базе разработанных численных моделей аэродинамики и массопереноса были проведены параметрические исследования по оценке эффективности применения воздушной завесы. При проведении исследований полагалось, что на полувагон с грузом угля (рис. 4) набегает поток воздуха со скоростью 15 км/ч. Груз на-
сыпан в полувагон с «горкой». Полагалось, что интенсивность уноса пыли от любого участка поверхности груза составляет, в безразмерном виде, Q=a*100* Vm*S, где Ут - местная скорость воздушного потока возле соответствующего участка; S - площадь участка поверхности груза; а - масштабный множитель. Местная скорость Vm определяется расчетным путем при решении аэродинамической задачи (первый этап решения). Здесь важно подчеркнуть, что такой подход к оценке величины интенсивности уноса пыли позволяет учитывать различную величину массы, выделяемой пыли от различных участков насыпи, так как местная скорость воздушного потока везде - разная. Форма насыпи угля в полувагоне задается в математической модели с помощью маркеров.
Рис.4. Расчетная схема: 1 - профиль скорости ветра; 2 - полувагон; 3 - груз
Fig. 4. Sketch of computational region:
1 - wind speed profile; 2 - gondola car; 3 - cargo
i.3®s$s02 о 1.3G1E*0Z: г 1.336E+0Z d 1.311E+0Z i I.Z86E+0Z n 1.2БДОЩ a 1.236E+02 t ). 211Ё+02 e I.187E+02 i.iSZE+fti ). 137E+02 у 1.11ZE+0Z 1.671E+01 1.6ZZE+01 1.373E+01 !. 1Z4E+01
Рис. 5. Зона загрязнения возле вагона при отсутствии воздушной завесы
Fig. 5. Pollution area near the car (no air injection)
Рассмотрим результаты моделирования. На рис. 5 представлена зона загрязнения, которая сформировалась при сдуве пыли из полувагона
lijyr^
т
\ш
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 6 (66)
(верхняя часть полувагона), когда нет воздушной завесы.
Эту зону можно условно разбить на две подзоны: подзона 1 - это область с большим градиентом концентрации пыли, которая формируется непосредственно над насыпью груза в вагоне; подзона 2 - это шлейф пыли над полувагоном.
На рис. 6 представлена зона загрязнения возле полувагона при применении воздушной завесы (скорость в воздушной завесе Ут.=14м/с).
лена в безразмерном виде, что не влияет на анализ результатов исследования, с точки зрения их оценки относительно эффективности завесы.
Таблица 1
Масса примеси на плоскости, совпадающей с кромкой борта полувагона
Table 1
Weight of the impurity at the plane coinciding with the side edge of the gondola car
Скорость вдува Нет Vin. = 4,6 м/с Vin.= 9,0 м/с Vin.= 14,0 м/с
Mdust (масса пыли) 13,84 10,38 9,56 8,61
Рис. 6. Зона загрязнения при использовании воздушной завесы
Fig. 6. Pollution zone near the car with air injection
Из рис. 6 видно, что при применении воздушной завесы происходит отклонение зоны загрязнения наверх, то есть воздушная завеса создает тот же эффект, что и пластина (дефлектор). Необходимо подчеркнуть, что это способствует движению частиц пыли в те слои атмосферы, где скорость ветра больше, и тем самым процесс рассеивания приводит к созданию в атмосфере зон загрязнения с меньшей концентрацией примеси (по аналогии рассеивания примеси при ее выбросе от высоких промышленных труб).
Для количественной оценки влияния воздушной завесы на интенсивность загрязнения примагистральной территории определялась масса пыли Mdust на плоскости А-В, которая совпадала с верхней кромкой полувагона (рис. 4). При проведении расчетов варьировалась скорость потока в воздушной завесе Vin. Результаты этих параметрических исследований приведены в табл. 1. Отметим, что в этой таблице масса пыли на границе A-B, представ-
Анализируя данные, приведенные в табл. 1, можно утверждать, что применение воздушной завесы позволяет уменьшить интенсивность выноса пыли из полувагона.
Научная новизна и практическая значимость
Создана 2Б численная модель, позволяющая рассчитывать формирование зон пылевых загрязнений возле железнодорожного полувагона при перевозке сыпучих грузов. Разработанная модель дает возможность выполнить расчет для случая применения воздушной завесы, установленной на вагоне. Данная модель позволяет учесть наиболее существенные физические факторы, влияющие на процесс рассеивания пылевых загрязнений в атмосфере. Представленная 2Б численная модель основана на применении фундаментальных уравнений аэродинамики и массопереноса.
Особенностью разработанной модели является использование стандартной исходной информации, быстрота в получении расчетных данных и удобство анализа получаемых результатов прогноза.
Выводы
Рассмотрена эффективная 2Б численная модель для количественной оценки уноса угольной пыли из полувагона при использовании метода защиты типа «воздушная завеса». Данная модель позволяет рассчитать 2Б аэродина-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зал!зничного транспорту, 2016, № 6 (66)
мику ветрового потока и процесс массоперено-са пыли на прилегающие к железной дороге территории.
Дальнейшее совершенствование модели следует проводить в направлении ее развития для расчета аэродинамики на базе 3Б уравнений.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Беляев, Н. Н. Математическое моделирование в задачах экологической безопасности и мониторинга чрезвычайных ситуаций : монография / Н. Н. Беляев, Е. Ю. Гунько, П. Б. Машихина. - Днепропетровск : Акцент ПП, 2013. - 159 с.
2. Беляев, Н. Н. Моделирование процесса сноса угольного концентрата из полувагонов / Н. Н. Беляев, А. А. Карпо // Наук. вюн. буд-ва : зб. наук. пр. / Харк. нац. техн. ун-т буд-ва та архгг. - Харшв, 2016. - № 1 (83). - С. 196-199.
3. Берлянд, М. Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы / М. Е. Берлянд. - Ленинград : Гидрометеоиздат, 1985. - 273 с.
4. Берлянд, М. Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы / М. Е. Берлянд. - Ленинград : Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.
5. Бруяцкий, Е. В. Теория атмосферной диффузии радиоактивных выбросов / Е. В. Бруяцкий. -Киев : Ин-т гидромеханики НАН Украины, 2000. - 443 с.
6. Гусев, Н. Г. Радиоактивные выбросы в биосфере / Н. Г. Гусев, В. А. Беляев. - Москва : Энер-гоатомиздат, 1991. - 257 с.
7. Константинов, Ю. М. Гидравлика / Ю. М. Константинов. - Кшв : Вища школа, 1981. - 360 с.
8. Кострюков, В. А. Основы гидравлики и аэродинамики / В. А. Кострюков. - Москва : Высш. шк., 1975. - 220 с.
9. Марчук, Г. И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды / Г. И. Марчук.- Москва : Наука, 1982. - 320 с.
10. Рудаков, Д. В. Модель рассеивания примеси в приземном слое атмосферы над поверхностью со сложным рельефом / Д. В. Рудаков // В1сн. Дншропетр. нац. ун-ту. Сер1я: Мехашка.
- Дншропетровськ, 2004. - № 6. - Вип. 8, т. 1.
- С. 89-97.
11. Самарский, А. А. Теория разностных схем / А. А. Самарский. - Москва : Наука, 1983. -616 с.
12. Уорк, К. Загрязнение воздуха. Источники и контроль / К. Уорк, С. Уорнер. - Москва : Мир, 1980. - 539 с.
13. Численное моделирование распространения загрязнения в окружающей среде / М. З. Згу-ровский, В. В. Скопецкий, В. К. Хрущ, Н. Н. Беляев. - Кшв : Наук. думка, 1997. -368 с.
14. 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.
15. Biliaiev, M. M. Numerical Simulation of Indoor Air Pollution and Atmosphere Pollution for Regions Having Complex Topography / M. M. Bi-liaiev, M. M. Kharytonov // Air Pollution Modeling and its Application XXI / NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security. - Springer Netherlands, 2012. - P. 87-91. doi: 10.1007/978-94-007-1359-8_15.
16. Final Report Environment Evaluation of Fugitive Coal Dust Emission from Coal Trains Goonyella, Blackwater and Moura Coal Rail Systems. Queensland : Queensland Rail Limited, 2008. - 414 p.
М. М. БШЯСВ1*, М. О. ОЛАД1ПО2*
1 Каф. «Пдравлжа та водопостачання», Дншропетровський нацюнальний ушверситет з^зничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна 2, Дтпро, Украша, 49010, тел. +38 (056) 273 15 09, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-1531-7882
2*Каф. «Пдравлжа та водопостачання», Дншропетровський нацюнальний утверситет залiзничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна 2, Дтпро, Украша, 49010, тел. +38 (056) 273 15 09, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0001-7945-6657
ПРОБЛЕМА ЗНЕСЕННЯ ВУГ1ЛЬНОГО ПИЛУ
Мета. У робот необхщно виконати розробку 2Б числових моделей для прогнозу забруднення атмосфе-ри при транспортуванш сипучих вантажiв в залiзничному вагош, а також способу захисту навколишнього середовища i примапстральних територш ввд знесення пилу з шввагошв за рахунок установки повггряних
завк. Методика. Для розв'язання поставлено! задачi розробленi числовi моделi, заснованi на застосуваннi рiвнянь руху нев'язко! нестисливо! рвдини i масопереносу. Для числового iнтегрування рiвняння транспорту забруднювача використовувалася неявна рiзницева схема. Для числового iнтегрування 2D рiвняння для по-тенцiалу швидкосп застосовуеться метод сумарно! апроксимацп. Розроблеш числовi моделi складають основу створеного пакета прикладних програм. На основi побудованих числових моделей проведено обчис-лювальний експеримент по оцшщ рiвня забруднення атмосфери при знесенш вугiльного пилу з пiввагона та наявносп повпряно! завiси. Результата. Розроблеш 2D числовi моделi, як1 ввдносяться до класу «diagnostic models». Даш моделi враховують основнi фiзичнi фактори, що впливають на процес розсшвання пилових забруднень в атмосферi при транспортуванш сипучих вантаж1в. Розробленi числовi моделi дозволяють роз-раховувати процес виносу пилу з урахуванням застосування повпряно! завiси, встановлено! на на шввагош. Вони вимагають невеликих затрат комп'ютерного часу при практичнш реалiзацi! на комп'ютерах мало! i середньо! потужностi. Виконано розрахунки по визначенню концентраци забруднювача i формування зони забруднення поблизу вагона з сипучим вантажем в масштабi «microscale» з урахуванням повпряних завiс. Наукова новизна. Створено 2D числовi моделi, що дозволяють врахувати iстотнi фактори, що впливають на процес розсшвання забруднюючих речовин в атмосфер^ i формування зони забруднення при перевезенш сипучих вантажв залiзничним транспортом. Розроблено споаб захисту атмосфери вiд забруднення при знесенш сипучих вантаж1в з залiзничного вагона, який заснований за принципом повпряно! завiси. Практична значимiсть. Розглянуп ефективнi числовi моделi, як1 можуть бути застосованi при розробцi заходiв з охорони навколишнього середовища при експлуатаци залiзничного транспорту. Запропонованi моделi дозволяють розрахувати 2D гiдродинамiку вирового потоку, з урахуванням встановлено! повпряно! завiси, i процес масопереносу шюдливих речовин в атмосферi.
Ключовi слова: забруднення атмосфери; нашввагон; перевезення сипучих вантаж1в; числове моделюван-ня; повиряна завiса
M. M. BILIAIEV1*, M. O. OLADIPO2*
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 [email protected], ORCID 0000-0002-1531-7882
2*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 [email protected], ORCID 0000-0001-7945-6657
COAL DUST EMISSION PROBLEM
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2016, № 6 (66)
Purpose. The article aims to develop 2D numerical models for the prediction of atmospheric pollution during transportation of coal in the railway car, as well as the ways to protect the environment and the areas near to the mainline from the dust emission due to the air injection installation. Methodology. To solve this problem there were developed numerical models based on the use of the equations of motion of an inviscid incompressible fluid and mass transfer. For the numerical integration of the transport equation of the pollutant the implicit alternating-triangular difference scheme was used. For numerical integration of the 2D equation for the velocity potential the method of total approximation was used. The developed numerical models are the basis of established software package. On the basis of the constructed numerical models it was carried out a computational experiment to assess the level of air pollution when transporting bulk cargo by rail when the railway car has the air injection. Findings. 2D numerical models that belong to the class «diagnostic models» were developed. These models take into account the main physical factors affecting the process of dispersion of dust pollution in the atmosphere during transportation of bulk cargo. The developed numerical models make it possible to calculate the dust loss process, taking into account the use of the air injection of the car. They require a small cost of the computer time during practical realization at the low and medium power machines. There were submitted computational calculations to determine pollutant concentrations and the formation of the zone of pollution near the train with bulk cargo in «microscale» scale taking into account the air curtains. Originality. 2D numerical models taking into account the relevant factors influencing the process of dispersion of pollutants in the atmosphere, and the formation of the zone of pollution during transportation of bulk cargo by rail were created. A way to protect the atmosphere from pollution during the emission of bulk cargoes from the rail car, which is based on the principle of the air injection, was developed. Practical value. The efficient numerical models which can be used in the development of environmental protection
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2016, № 6 (66)
measures in the operation of railway transport were considered. The proposed model allows calculating 2D dynamics of wind flow, taking into account the installed air injection, and mass transfer process of pollutants in the atmosphere.
Keywords: air pollution; gondola car; bulk cargo transportation; numerical simulation; air injection
REFERENCES
1. Biliaiev M.M., Gunko Ye.Yu., Mashikhina P.B. Matematicheskoye modelirovaniye v zadachakh eko-logicheskoy bezopasnosti i monitoringa chrezvychaynykh situatsiy [Mathematical modeling in problems of environmental safety and monitoring emergencies]. Dnepropetrovsk, Aktsent PP Publ., 2013. 159 p.
2. Biliaiev M.M., Karpo A.A. Modelirovaniye protsessa snosa ugolnogo kontsentrata iz poluvagonov [Simulation of the process of coal concentrate out from gondola cars]. Zbirnyk naukovykh prats «Naukovyi visnyk budivnytstva» [Proc. «Scientific Bulletin of Construction»], 2016, issue 1 (83), pp. 196-199.
3. Berlyand M.Ye. Sovremennyye problemy atmosfernoy diffuzii i zagryazneniya atmosfery [Modern problems of atmospheric diffusion and air pollution]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1975. 448 p.
4. Berlyand M.Ye. Prognoz i regulirovaniye zagryazneniya atmosfery [Prediction and regulation of air pollution]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1985. 273 p.
5. Bruyatskiy Ye.V. Teoriya atmosfernoy diffuzii radioaktivnykh vybrosov [The theory of atmospheric diffusion of radioactive emissions]. Kiev, Institut gidromekhaniki NAN Ukrainy Publ., 2000. 443 p.
6. Gusev N.G., Belyayev V.A. Radioaktivnyye vybrosy v biosfere [Radioactive emissions in the biosphere]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1991. 257 p.
7. Konstantinov Yu.M. Gidravlika [Hydraulics]. Kiev, Vyshcha shkola Publ., 1981. 360 p.
8. Kostryukov V.A. Osnovy gidravliki i aerodinamiki [Fundamentals of hydraulics and aerodynamics]. Moscow, Vyshcha shkola Publ., 1975. 220 p.
9. Marchuk G.I. Matematicheskoye modelirovaniye v probleme okruzhayushchey sredy [Mathematical modeling in the environmental problem]. Moscow, Nauka Publ., 1982. 320 p.
10. Rudakov D.V. Model rasseivaniya primesi v prizemnom sloye atmosfery nad poverkhnostyu so slozhnym re-lyefom [Model of impurity dispersion in the atmospheric surface layer over a surface with challenging terrain]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu. Seriia: Mekhanika [Bulletin of Oles Honchar Dnipropetrovsk National University. Series: Mechanics], 2004, no. 6, issue 8, vol. 1, pp. 89-97.
11. Samarskiy A.A. Teoriya raznostnykh skhem [The theory of difference schemes]. Moscow, Nauka Publ., 1983. 616 p.
12. Uork K., Uorner S. Zagryazneniye vozdukha. Istochniki i kontrol [Air pollution. Sources and control]. Moscow, Mir Publ., 1980. 539 p.
13. Zgurovskiy M.Z., Skopetskiy V.V., Khrushch V.K., Biliaiev M.M. Chislennoye modelirovaniye rasprostra-neniya zagryazneniya v okruzhayushchey srede [Numerical modeling of pollution spreading in the environment]. Kyiv, Naukova dumka Publ., 1997. 368 p.
14. Berlov O. V. Atmosphere protection in case of emergency during transportation of dangerous cargo. Nauka ta prohres transportu - Science and Transport Progress, 2016, no. 1 (61), pp. 48-54. doi: 10.15802/stp2016/60953.
15. Biliaiev M.M., Kharytonov M.M. Numerical Simulation of Indoor Air Pollution and Atmosphere Pollution for Regions Having Complex Topography. Air Pollution Modeling and its Application XXI. NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security. Springer Netherlands, 2012, pp. 87-91. doi: 10.1007/978-94-007-1359-8_15.
16. Final Report Environment Evaluation of Fugitive Coal Dust Emission from Coal Trains Goonyella, Blackwa-ter and Moura Coal Rail Systems. Queensland, Queensland Rail Limited, 2008. 414 p.
Статья рекомендована к публикации д.физ.-мат.н., проф. C. А. Пичуговым (Украина);
д.т.н., проф. С. З. Полищуком (Украина)
Поступила в редколегию: 10.08.2016
Принята к печати: 25.11.2016
