THE ASSESSMENT MODELS OF AIR POLLUTION DURING TRANSPORTATION OF BULK CARGO

ЕКОЛОГІЯ

НА

ТРАНСПОРТІ

УДК [502.3:504.5:656.225.073.43-492]-047.58

Н

.

Н

.

БЕЛЯЕВ

1*

,

М

.

О

.

ОЛАДИПО

2*

1*_{Каф. «Гидравликаиводоснабжение», Днепропетровскийнациональныйуниверситетжелезнодорожного} транспортаимениакадемикаВ. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056)2731509,

эл. почта gidravlika2013@mail.ru, ORCID 0000-0002-1531-7882

2*_{Каф. «Гидравликаиводоснабжение», Днепропетровскийнациональныйуниверситетжелезнодорожного} транспортаимениакадемикаВ. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010,

тел. +38 (056) 273 15 09, эл. почта Oladipo.toye@outlook.com, ORCID 0000-0001-7945-6657

МОДЕЛИ

ОЦЕНКИ

УРОВНЯ

ЗАГРЯЗНЕНИЯ

АТМОСФЕРЫ

ПРИ

ТРАНСПОРТИРОВКЕ

СЫПУЧИХ

ГРУЗОВ

Цель. Научнаяработанаправленанаразработку 3D, 2D численныхмоделейдля прогноза загрязнения атмосферыпритранспортировкесыпучихгрузовв железнодорожномвагоне. Методика. Длярешения по

-ставленнойзадачиразработанычисленныемодели, основанныенапримененииуравненийдвиженияневяз

-койнесжимаемойжидкостиимассопереноса, дляопределенияполяскоростиветровогопотокавблизиваго

-новирассеиванияпыливатмосфере. Длячисленногоинтегрированияуравненияпереносазагрязнителяис

-пользовалась неявная разностная схема. При построении разностной схемы осуществляется расщепление уравнения переноса, чтопозволяетпостроить эффективныйалгоритм решения дифференциальной задачи.

Неизвестноезначениеконцентрациизагрязнителянакаждомшагерасщепленияопределяетсяпоявнойсхе

-ме – методубегущегосчета, чтообеспечиваетпростуючисленнуюреализациюуравненийрасщепления. Для численного интегрирования 3D уравнения для потенциала скорости применяется метод Ричардсона. Для численногоинтегрирования 2D уравнениядляпотенциаласкоростиприменяетсяметодсуммарнойаппрок

-симации. Разработанныечисленныемоделисоставляютосновусозданногопакетаприкладныхпрограмм. На основепостроенных численныхмоделей проведенвычислительный эксперимент пооценкеуровнязагряз

-ненияатмосферыприсносеугольнойпылиизполувагона. Результаты. Разработаны 3D, 2D численныемо

-дели, которые относятся к классу «diagnostic models». Данные модели учитывают основные физические факторы, влияющиенапроцессрассеиванияпылевыхзагрязненийватмосферепритранспортировкесыпу

-чихгрузов. Предложенныечисленныемоделитребуютнебольшихзатраткомпьютерноговремениприпрак

-тическойреализациинакомпьютерахмалойисреднеймощности. Этимоделииспользуютсядлясерийных расчетовразнообразныхсценарияхситуаций, связанныхсвопросамиохраныокружающейсредыидиагно

-стикиинтенсивностизагрязненияприразличныхметеоусловиях. Выполненырасчетыпоопределениюкон

-центрации загрязнителя и формирования зоны загрязнения вблизи вагона с сыпучим грузом в масштабе

«microscale». Научная новизна. Созданы 3D, 2D численные модели, позволяющие учесть существенные факторы, влияющиенапроцессрассеиваниязагрязняющихвеществватмосфере, иформированиезоныза

-грязненияприперевозкесыпучихгрузовжелезнодорожнымтранспортом.Практическаязначимость. Рас

-смотреныэффективныечисленныемодели «diagnostic models» дляэкспресс-расчетауровнязагрязненияат

-мосферыпритранспортировкесыпучихгрузовжелезнодорожнымтранспортом. Моделимогутбытьприме

-нены для разработки мероприятий по охране окружающей среды при эксплуатации железнодорожного транспорта. Предложенные моделипозволяют рассчитать 3D, 2D гидродинамику ветрового потока ипро

-цессмассопереносавредныхвеществватмосфере.

Ключевые слова:загрязнениеатмосферы; железнодорожныйтранспорт; перевозкасыпучихгрузов; чис

Введение

Нигерия имеет хорошо развитую сеть же

-лезных дорог (рис. 1). Железнодорожный транспорт Нигерииперевозит большоеколиче

-ство сыпучих грузов как в порты, так и на предприятия страны. Транспортируется уголь,

руда и т.п. Поскольку транспортировка сыпу

-чих грузов происходит в полувагонах, то при такой транспортировке имеет место интенсив

-ное загрязнение окружающей среды (рис. 2),

вызванноесносом пылевых загрязнений из по

-лувагонов.

Рис. 1. ЖелезнодорожнаясетьвНигерии

Fig. 1. The railway network in Nigeria

Этот процесс сопровождается такими по

-следствиями:

1. Загрязнение подстилающей поверхности примагистральной территории, что ведет

кухудшениюкачествагрунта. 2. Загрязнениеатмосферы.

3. Потеремассыгрузавполувагонах.

4. Ухудшению свойств груза, его внешнего видаитоварногосорта.

Вэтойсвязивозникаютдвеважныезадачи: 1. Оценка уровня загрязнения окружающей средыпритранспортировкесыпучихгрузов.

2. Разработка методов защиты окружающей среды от загрязнения притранспортировке сы

-пучихгрузов [4].

Внастоящейработедлярешенияпервойза

-дачи разработаны специализированные чис

-ленные модели. Следует отметить, что в на

-стоящее время для решения задачи по оценке уровня загрязнения окружающей среды ис

-пользуются эмпирические или аналитические

модели [5−7, 10, 12, 13]. Данные модели

не учитывают ряд физических факторов, кото

-рые существенно влияют на формирование концентрационного поля пыли в атмосфере.

Эти методикине учитывают профильскорости ветра, влияние самого вагона наформирование локального аэродинамического режима, форму насыпи сыпучего груза в полувагоне и т.д.

Аналитические моделиразработаныдляслучая точечного постоянно действующего источника выброса. Кроме этого, если применяется мо

-дель Гаусса [6, 7, 13], то необходимо выпол

-нитьнаучноеобоснование значенийкоэффици

-ентов дисперсии, которые были получены для территории США или Великобритании. Для территории других стран такого обоснования нет. Другим подходом к прогнозу уровня за

-грязнения окружающей среды при эмиссии вредных веществ является применение числен

-ных моделей [2, 3, 9, 14, 15]. Но существует определенныйдефицитчисленныхмоделейдля решениязадачрассматриваемогокласса.

Рис. 2. Сдувпылевыхзагрязнений

притранспортировкесыпучихгрузов

Fig. 2. Blowing dust contamination during transportation of bulk cargo

Поэтому возникает важная задача по созда

-нию современных численных моделей класса

CFD (computational fluid dynamics), которые позволяли бы осуществлять оценку уровня за

-грязнения окружающей среды при перевозке сыпучих грузов железнодорожным транспор

Цель

Целью данной работы является разработка

3D, 2D численныхмоделей для прогноза уров

-ня загрязнения атмосферы при эмиссии пыле

-вых загрязнений из полувагонов. Ставится за

-дача создания моделей, которые позволяли бы учитывать основные физические факторы рас

-сеивания пыли в атмосфере и при этом требо

-вали бы малых затрат компьютерного времени при практической реализации (это модели группы «diagnostic models»).

Методика

Прогнозуровнязагрязнения атмосферыпри сдувепылевыхзагрязнений из полувагонапро

-водится вдва этапа. На первомэтапе решается задача по определению поля скорости воздуш

-ногопотока сучетом взаимодействия егос по

-лувагоном. Для решения этой задачи применя

-ется уравнение для потенциала скорости (мо

-дельтеченияневязкойжидкости) [14, 15]:

2 _x2 2 _y2 2 _z2 ₀

∂ ϕ ∂ + ∂ ϕ ∂ + ∂ ϕ ∂ = , (1)

где ϕ – потенциал скорости, ось Z направлена вертикальновверх (рис. 2).

Компоненты вектора скорости воздушного потокарассчитываютсяпозависимостям:

u= ∂ϕ ∂x, v= ∂ϕ ∂y, w= ∂ϕ ∂z.

Постановка краевых условий для данного уравнениярассматриваетсявработах [3, 8, 14].

После определения поля скорости воздуш

-ногопотокавозлеполувагона, навторомэтапе,

решается задача о переносе пылевых загрязне

-ний из полувагона в атмосферу. Для построе

-ния наиболее общей математической модели будем использовать фундаментальное уравне

-ниемассопереноса [2, 3, 6, 14, 15]:

(

)

(w w C_g)

C uC vC

div gradC

t x y z

∂ −

∂ ∂ ∂

+ + + = µ +

∂ ∂ ∂ ∂

( ) (

) (

) (

)

1

N

i i i i

i

Q t x x y y z z

=

+

∑

δ − δ − δ − , (2)

где С –концентрациязагрязняющеговещества

(пылевой загрязнитель); , ,u v w – компоненты вектора скорости воздушного потока;

(

_x, _y, _z

)

µ = µ µ µ – коэффициенты атмосферной

турбулентной диффузии; Q – интенсивность выброса загрязнителя от «насыпи» в полуваго

-не; δ −

(

x x_i

) (

δ y y− _i

) (

δ −z z_i

)

– дельта-функция Дирака; ,x y z_{i i}, _i – координаты источника вы

-броса; w_g – скорость гравитационного оседа

-нияпыли; t – время.

Постановка краевых условий для данного уравнениярассмотренавработах [3, 8].

В разработаннойчисленноймодели исполь

-зуются следующие зависимости для задания профиля ветра и вертикального коэффициента атмосфернойдиффузии [5, 6]:

(

)

1 1

p

u u z z= ,µ =_z k z z₁

(

₁

)

m,µ = µ =_{x z} k u₀ ,

где u1 – скорость ветрана высоте z1 (принима -ется z₁≈10м); k₁=0,2; k₀=0,1; 0,16p= ;

1

m≈ .

Численное интегрирование уравнений мо

-дели выполняется на прямоугольной разност

-нойсетке. Приформированиирасчетнойоблас

-ти используется метод маркирования [2, 3].

С помощью маркеров задается положение же

-лезнодорожного вагона, форма «насыпи» сы

-пучегогрузавполувагоне.

Длярешения моделирующихуравнений (1), (2) используется метод сеток. Уравнение для потенциала скорости численно интегрируется

с помощью метода Ричардсона [11]. Для этого исходное уравнение для потенциала скорости предварительно приводится к эволюционному виду:

2 2 2 2 2 2

P t P x P y P z

∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ _,

где t – фиктивноевремя.

Далее осуществляется аппроксимация про

-изводных и получается следующее разностное уравнение:

1, , 1, ,

1

2

2

n n n

i j k ijk i j k

n n

ijk ijk

P P P

P P

x

+ −

+ _{= +} − + ₊

∆

, 1, , 1,

2

2

n n n

i j k ijk i j k

P P P

y

+ − + −

+ +

∆

, , 1 , , 1

2

2

0.

n n n

i j k ijk i j k

P P P

z

+ − + −

+ =

На основеданной зависимостиосуществля

-ется расчет значения потенциала скорости

в ячейках, соответствующих области воздуш

-ногопотока.

В результате применения такой аппрокси

-мации получается разностное уравнение, кото

-роелегкорешитьпоявнойформуле.

Для численного интегрирования уравнения массопереноса (2) применяется неявная разно

-стнаясхемарасщепления [2, 14, 15]. Накаждом шаге расщепления неизвестное значение кон

-центрациипылинаходитсяпометодубегущего счета. Это позволяет получить простой алго

-ритмдля расчета концентрационного поляпы

-ливблизиполувагона.

Дляэкспрессрешения задачиаэродинамики

(профильнаязадача) предлагаетсяиспользовать двухмерное уравнение для потенциала скоро

-сти [14, 15]:

2 2

2 2 0

x y

∂ ϕ ∂ ϕ_{+ =}

∂ ∂ , (3)

где ϕ – потенциалскорости, ось Y направлена вертикальновверх.

Компоненты вектора скорости воздушного потока в этом случаерассчитываются по зави

-симостям:

u x

∂ϕ =

∂ , v y

∂ϕ =

∂ .

После определения двухмерного поля ско

-рости осуществляется расчет формирования зоны пылевого загрязнения путем решения следующегоуравнениямассопереноса:

(

)

( )

C uC w C

div gradC

t x y

∂ ₊∂ ₊∂ ν − _{= µ +}

∂ ∂ ∂

( ) (

) (

)

1

N

i i i

i

Q t x x y y

=

+

∑

δ − δ − , (4)

где С –концентрациязагрязняющеговещества

(пылевой загрязнитель); w – скорость гравита

-ционногооседанияпримеси (пыль); t – время.

Уравнение для потенциала скорости (3)

численно интегрируется с помощью метода суммарной аппроксимации [11]. В результате применения этого метода осуществляется рас

-щепление в разностном виде исходного урав

-нения на два уравнения. Определение неиз

-вестногозначенияпотенциаласкоростиизэтих

двухуравненийпроисходит появнойсхемебе

-гущегосчета.

Для численного интегрирования уравнения массопереноса (4) применяется неявная разно

-стнаясхемарасщепления [14, 15].

На основепостроенных численныхмоделей создан пакет прикладных программ («generic model»). Дляпроведениярасчетовнабазеэтого пакетапрограммнеобходимозадать:

1. Классустойчивостиатмосферы. 2. Профильскоростиветра.

3. Форму насыпи сыпучего груза в полува

-гоне.

4. Интенсивность выделения пыли от насы

-пивполувагоне.

Отметим, что время расчета 3D аэродина

-мической задачи и задачи массопереноса со

-ставляет порядка 10 сек, а задачи в 2D поста

-новке – 5 сек.

Результаты

Разработанныечисленныемодели относятся к классу «diagnostic models». Данные модели могут быть использованы для быстрогосерий

-ногорасчета загрязнениявоздушнойсреды для разнообразных сценариевтранспортировки сы

-пучихгрузоввполувагонахприразличных ме

-теоситуациях. Построенные модели позволяют оперативно получить картину зон загрязнения,

которые формируются возле вагона при сдуве пылевыхзагрязнений.

Пример практического использования раз

-работанной 2D численной модели показан ни

-же. Рассматривался процесс сдува пылевого загрязнения из полувагона, транспортирующе

-гоуголь (рис. 3). Цельюрасчетаявляласьоцен

-ка размеров, формы и интенсивности форми

-рующейся зоны загрязнения при транспорти

-ровкегруза.

Как видно из рис. 3, зону загрязнения, кото

-рая сформироваласьпри сдуве пылииз полува

-гона, можно условно разбить на две подзоны:

подзона 1 – это область с большим градиентом концентрациипыли, котораяформируетсянепо

-средственнонаднасыпью грузаввагоне; подзо

-на2 – этошлейфпылизаполувагоном. Хорошо видноизрис. 3, чтошлейфпылизаполувагоном имеет значительные размеры и происходит за

-грязнениенетольковоздушнойсреды, ноипод

-нениякардинально меняется, если на борту по

-лувагонаустановитьэкран (рис. 4).

Рис. 3. Зоназагрязнениявозлевагона:

1 – зоназагрязнения, сформировавшаясянаднасыпью

ввагоне; 2 – зоназагрязнениязавагоном

Fig. 3. Pollution area near the car:

1 – pollution zone formed on the embankment in the car;

2 – pollution zone behind the car

Рис. 4. Зоназагрязненияприиспользованииэкрана,

установленногонабортувагона:

1 – зоназагрязнения, сформировавшаяся

наднасыпьюввагоне; 2 – экран

Fig. 4. Pollution zone when using the screen mounted on the car board:

1 – pollution zone formed on the embankment in the car; 2 – screen

Изрис.4 видно, чтоустановкаэкранаприве

-лак существенному уменьшению размеров зо

-нызагрязненияатмосферного воздуха. Практи

-чески основная зона загрязнения формируется над насыпью груза. Экранпрепятствует интен

-сивномусносупылизавагоном.

Таким образом, применение разработанных численныхмоделейпозволяетбыстроосущест

-влять оценку экологической безопасности при транспортировке сыпучих грузов и определять эффективность применения экрана для мини

-мизацииуровнязагрязнения атмосферноговоз

-духа.

Научнаяновизнаипрактическая

значимость

Созданы 3D, 2D численные модели, позво

-ляющиерассчитыватьформированиезонпыле

-вых загрязненийвозле железнодорожных ваго

-нов при перевозке сыпучих грузов с учетом возможности установки защитного экрана на вагоне. Данные модели дают возможность учесть наиболее существенные физические факторы, влияющие на процесс рассеивания пылевых загрязнений в атмосфере. Представ

-ленные 3D, 2D численные модели основанына применении фундаментальных уравнений аэ

-родинамикиимассопереноса.

Особенностью разработанных моделей яв

-ляется использование стандартной исходной информации, быстрота в получениирасчетных данныхиудобствоанализаполучаемыхрезуль

-татовпрогноза.

Выводы

Рассмотрены эффективные 3D, 2D числен

-ные модели «diagnostic models» для расчета уровня загрязнения атмосферы пылевыми вы

-бросами при перевозке железнодорожным транспортом сыпучих грузов. Данные модели позволяют рассчитать 3D, 2D аэродинамику ветрового потокаипроцесс массопереноса пы

-ли на прилегающие к железной дороге терри

-тории.

Дальнейшее совершенствование моделей следует проводить в направлении их развития для расчета аэродинамики на базе уравнений Навье-Стоксаиуравнениймассопереноса.

СПИСОКИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Белов, И. А. Взаимодействие неравномерных потоковс преградами / И. А. Белов. – Ленин

-град : Машиностроение, 1983. – 144 с.

2. Беляев, Н. Н. Математическое моделирование взадачахэкологическойбезопасностиимони

-торинга чрезвычайныхситуаций : монография

/ Н. Н. Беляев, Е. Ю. Гунько, П. Б. Машихина. – Днепропетровск : АкцентПП, 2013. – 159 с. 3. Беляев, Н. Н. Моделирование процесса

сносаугольногоконцентрата из полувагонов/

Н. Н. Беляев, А. А. Карпо // Наук. вісн. буд-ва :

-тектури. – Харків, 2016. – Вип. 1 (83). –

С. 196–199.

4. Берлянд, М. Е. Прогноз и регулирование за

-грязненияатмосферы / М. Е. Берлянд. – Лени

-нград : Гидрометеоиздат, 1985. – 273 с. 5. Берлянд, М. Е. Современные проблемы атмо

-сфернойдиффузии и загрязненияатмосферы /

М. Е. Берлянд. – Ленинград : Гидрометеоиздат, 1975. – 448 с.

6. Бруяцкий, Е. В. Теорияатмосфернойдиффузии радиоактивных выбросов / Е. В. Бруяцкий. –

Киев : Ин-т гидромеханики НАН Украины, 2000. – 443 с.

7. Гусев, Н. Г. Радиоактивныевыбросывбиосфе

-ре / Н. Г. Гусев, В. А. Беляев. – Москва : Энер

-гоатомиздат, 1991. – 257 с.

8. Марчук, Г. И. Математическое моделирование впроблемеокружающейсреды / Г. И. Марчук. – Москва : Наука, 1982. – 320 с.

9. Машихина, П. Б. Моделирование распростра

-ненияпримеси в атмосфере с учетом рельефа местности / П. Б. Машихина // Вісн. Дніпро

-петр. нац. ун-тузалізн. трансп. ім. акад. В. Ла

-заряна. – Дніпропетровськ, 2009. – Вип. 27. –

С. 138–142.

10. Рудаков, Д. В. Модель рассеивания примеси

в приземном слое атмосферы над поверхно

-стью со сложным рельефом / Д. В. Рудаков //

Вісн. Дніпропетр. нац. ун-ту. Серія: Механіка. – Дніпропетровськ, 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. Светличная, С. Д. Оценкаполученнойтоксодо

-зы при распространении первичного облака токсического вещества / С. Д. Светличная //

Проблеми надзвичайних ситуацій : зб. наук.

пр. / Нац. ун-тцив. захистуУкраїни. – Харків, 2011. – Вип. 13. – С. 127–132.

13. Уорк, К. Загрязнение воздуха. Источники

и контроль / К. Уорк, С. Уорнер. – Москва :

Мир, 1980. – 539 с.

14. Численное моделирование распростра-

нения загрязнения в окружающей среде /

М. З. Згуровский, В. В. Скопецкий,

В. К. Хрущ, Н. Н. Беляев. – Київ : Наук. думка, 1997. – 368 с.

15. Biliaiev, M. Numerical Simulation of Indoor Air Pollution and Atmosphere Pollution for Regions Having Complex Topography / M. Biliaiev // NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security. – 2011. – P. 87–91. doi: 10.1007/978-94-007-1359-8_15.

М

.

М

.

БІЛЯЄВ

1*

,

М

.

О

.

ОЛАДІПО

2*

1*_{Каф. «Гідравлікатаводопостачання», Дніпропетровськийнаціональнийуніверситетзалізничноготранспорту} іменіакадемікаВ. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (056)2731509,

ел. пошта gidravlika2013@mail.ru, ORCID 0000-0002-1531-7882

2*_{Каф. «Гідравлікатаводопостачання», Дніпропетровськийнаціональнийуніверситетзалізничноготранспорту} іменіакадемікаВ. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (056)273 15 09,

ел. пошта Oladipo.toye@outlook.com, ORCID 0000-0001-7945-6657

МОДЕЛІ

ОЦІНКИ

РІВНЯ

ЗАБРУДНЕННЯ

АТМОСФЕРИ

ПРИ

ТРАНСПОРТУВАННІ

СИПУЧИХ

ВАНТАЖІВ

Мета.Науковароботаспрямовананарозробку 3D, 2D чисельнихмоделейдляпрогнозузабрудненняат

-мосферипритранспортуванні сипучихвантажівузалізничномувагоні. Методика.Длявирішенняпостав

-леноїзадачірозробленічисельнімоделі, заснованіназастосуваннірівняньрухунев'язкоїнестисливоїрідини і масопереносу, для визначення поля швидкості вітрового потоку поблизу вагонів та розсіювання пилу

в атмосфері. Для чисельного інтегрування рівняння транспорту забруднювача використовувалася неявна різницевасхема. Припобудовірізницевоїсхемиздійснюєтьсярозщепленнярівнянняпереносу, щодозволяє побудуватиефективний алгоритм розв’язання диференціальноїзадачі. Невідомезначення концентрації за

-бруднювачанакожномукроцірозщепленнявизначаєтьсязаявноюсхемою – методубіжучогорахунку, що забезпечуєпростучисельнуреалізаціюрівняньрозщеплення. Длячисельногоінтегрування 3D рівняннядля потенціалушвидкостізастосовуєтьсяметодРічардсона. Длячисельногоінтегрування 2D рівняннядляпоте

-нціалушвидкостізастосовуєтьсяметодсумарноїапроксимації. Розробленічисельнімоделіскладаютьосно

-вуствореного пакетаприкладних програм. Наоснові побудованих чисельнихмоделей проведений обчис

-лювальнийекспериментпооцінцірівнязабруднення атмосферипризнесеннівугільного пилузпіввагона.

Результати.Розроблено 3D, 2D чисельні моделі, яківідносятьсядокласу «diagnostic models». Данімоделі

притранспортуванні сипучих вантажів. Запропоновані чисельні моделі вимагають невеликих затрат ком

-п'ютерногочасуприпрактичнійреалізаціїнакомп'ютерахмалоїтасередньоїпотужності. Цімоделівикори

-стовуються для серійних розрахунків різноманітних сценаріїв ситуацій, пов'язаних із питаннями охорони навколишнього середовища і діагностики інтенсивності забруднення при різних метеоумовах. Виконано розрахунки по визначенню концентрації забруднювача і формування зони забруднення поблизу вагона

зсипучимвантажем умасштабі «microscale». Науковановизна.Створені 3D, 2D чисельнімоделі, щодо

-зволяютьврахуватиістотніфактори, впливаючінапроцесрозсіюваннязабруднюючихречовинватмосфері,

і формування зони забруднення при перевезенні сипучих вантажів залізничним транспортом.

Практичназначимість. Розглянутоефективнічисельнімоделі «diagnostic models» дляекспрес-розрахунку

рівнязабрудненняатмосферипритранспортуваннісипучихвантажівзалізничнимтранспортом. Моделімо

-жутьбутизастосованіприрозробцізаходівізохоронинавколишньогосередовищаприексплуатаціїзалізни

-чного транспорту. Запропоновані моделі дозволяють розрахувати 3D, 2D гідродинаміку вітрового потоку

іпроцесмасопереносушкідливихречовинватмосфері.

Ключові слова: забрудненняатмосфери; залізничнийтранспорт; перевезеннясипучихвантажів; чисельне моделювання

M. M. BILIAIEV

1*

, M. O. OLADIPO

2*

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)2731509, e-mail gidravlika2013@mail.ru, 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)2731509, e-mail Oladipo.toye@outlook.com, ORCID 0000-0001-7945-6657

THE ASSESSMENT MODELS OF AIR POLLUTION

DURING TRANSPORTATION OF BULK CARGO

Purpose. The scientific work is concentrated on development of 3D, 2D numerical models for the prediction of atmospheric pollution during transport of bulk cargo in the railway car. Methodology. To solve this problem nu-merical models were developed, based on the use of the motion equations of inviscid incompressible fluid and mass transfer, to determine the field of wind velocity near the cars and dispersion of dust in the atmosphere. For the nu-merical integration of the pollutant transport equation implicit alternating-triangular difference scheme was used. When constructing a difference scheme splitting of the transport equation is carried out that allows us to construct an efficient algorithm for solving a differential problem. Unknown value of the pollutant concentration at every step of splitting is determined by the explicit scheme – the method of point-to-point computation, which provides a simple numerical implementation of splitting equations. For numerical integration of the 3D equation for the velocity po-tential method of Richardson is applied. For numerical integration of the 2D equation for the velocity popo-tential the method of total approximation is applied. The developed numerical models are the basis of established software package. On the basis of the constructed numerical models a computational experiment to assess the level of air pol-lution when demolition of coal dust from the gondola car was carried out. Findings. 3D, 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 dust pollution dispersion in the atmosphere during transportation of bulk cargo, but require small costs of the computer time in the practice at the low and medium power machines. These models are used for serial calculations of various situations of scenarios related to issues of environmental protection and pollution in-tensity diagnostics for different weather conditions. Computational calculations to determine pollutant concentra-tions and formation of pollution zone near the cars with bulk cargo in «microscale» scale were submitted.

Originality. 3D, 2D numerical models were created. They allow taking into account the relevant factors, influenc-ing the process of pollutants dispersion in the atmosphere, and formation of the pollution zone durinfluenc-ing transport of bulk cargo by rail. Practical value. Efficient numerical models «diagnostic models» for rapid calculation of the atmosphere pollution level during transportation of bulk cargo by rail were considered. Models can be used in the development of environmental protection measures at the operation of rail transport. Proposed model allows calcu-lating 3D, 2D hydrodynamics of wind flow and mass transfer process of pollutants in the atmosphere.

REFERENCES

1. Belov I.A. Vzaimodeystviye neravnomernykh potokov s pregradami [Interaction of nonuniform flows with baffles]. Leningrad, Mashinostroyeniye Publ., 1983. 144 p.

2. 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 en-vironmental safety and monitoring of emergencies]. Dnepropetrovsk, Aktsent PP Publ., 2013. 159 p.

3. Biliaiev M.M., Karpo A.A. Modelirovaniye protsessa snosa ugolnogo kontsentrata iz poluvagonov[Simulation of process of coal concentrate demolition from gondola cars]. Zbirnyk naukovykh prats «Naukovyi visnyk budivnytstva» [Proc. «Scientific Bulletin of Construction»], 2016, no. 1 (83), pp. 196-199.

4. Berlyand M.Ye. Prognoz i regulirovaniye zagryazneniya atmosfery [Prediction and regulation of air pollu-tion]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1985. 273 p.

5. Berlyand M.Ye. Sovremennyye problemy atmosfernoy diffuzii i zagryazneniya atmosfery [Contemporary prob-lems of atmospheric diffusion and air pollution]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1975. 448 p.

6. 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.

7. Gusev N.G., Belyaev V.A. Radioaktivnyye vybrosy v biosfere [Radioactive emissions in the biosphere]. Mos-cow, Energoatomizdat Publ., 1991. 257 p.

8. Marchuk G.I. Matematicheskoye modelirovaniye v probleme okruzhayushchey sredy [Mathematical modeling in the environmental problem]. Moscow, Nauka Publ., 1982. 320 p.

9. Mashikhina P.B. Modelirovaniye rasprostraneniya primesi v atmosfere s uchetom relefa mestnosti [The distri-bution modeling of impurities in the atmosphere with taking into account of terrain]. Visnyk Dnipropet-rovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2009, issue 27, pp. 138-142.

10. Rudakov D.V. Model rasseivaniya primesi v prizemnom sloye atmosfery nad poverkhnostyu so slozhnym re-lefom [Model of impurity dispersion in the atmospheric surface layer over a surface with complex relief]. Vis-nyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu. Seriia: Mekhanika [Bulletin of Oles Honchar Dnipropet-rovsk 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. Svetlichnaya S.D. Otsenka poluchennoy toksodozy pri rasprostranenii pervichnogo oblaka toksicheskogo ve-shchestva [Evaluation of the toxic dose received at the distribution of the primary cloud of toxic substances]. Zbirnyk naukovykh prats «Problemy nadzvychainykh sytuatsii» [Proc. «Problems of emergency situations»], 2011, issue 13, pp. 127-132.

13. Uork, K., Uorner S. Zagryazneniye vozdukha. Istochniki i kontrol [Air pollution. Sources and control]. Mos-cow, Mir Publ., 1980. 539 p.

14. Zgurovskiy M.Z., Skopetskiy V.V., Khrushch V.K., Biliaiev M.M. Chislennoye modelirovaniye rasprostra-neniya zagryazrasprostra-neniya v okruzhayushchey srede [Numerical modelling of pollution spreading in the environ-ment]. Kyiv, Naukova dumka Publ., 1997. 368 p.

15. Biliaiev M. Numerical Simulation of Indoor Air Pollution and Atmosphere Pollution for Regions Having Complex Topography. Air Pollution Modeling and its Application XXI. Netherlands, Springer Publ., 2012. pp. 87-91.

Статьярекомендована к публикациид.физ.-мат.н., проф. C. А. Пичуговым (Украина); д.т.н.,

проф. С. З. Полищуком (Украина)

Поступилавредколлегию: 01.06.2016