Исследование эффективности применения воздушной завесы для локальной защиты здания при миграции в атмосфере токсичных веществ
Актуальной задачей является защита зданий от попадания в них опасных веществ, мигрирующих в атмосфере. Для решения этой задачи может использоваться воздушная завеса, представляющая собой вертикальный поток воздуха, который создает гидродинамический барьер на пути мигрирующего в атмосфере опасного ве...
Gespeichert in:
| Datum: | 2014 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2014
|
| Schriftenreihe: | Геотехнічна механіка |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/109535 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Исследование эффективности применения воздушной завесы для локальной защиты здания при миграции в атмосфере токсичных веществ / Н.Н. Беляев, Н.В. Росточило // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 115. — С. 55-64. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-109535 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1095352016-12-02T03:03:07Z Исследование эффективности применения воздушной завесы для локальной защиты здания при миграции в атмосфере токсичных веществ Беляев, Н.Н. Росточило, Н.В. Актуальной задачей является защита зданий от попадания в них опасных веществ, мигрирующих в атмосфере. Для решения этой задачи может использоваться воздушная завеса, представляющая собой вертикальный поток воздуха, который создает гидродинамический барьер на пути мигрирующего в атмосфере опасного вещества. При использовании данного метода защиты необходимо заранее определить его эффективность с учетом конкретных метеоусловий и формы здания. В работе представлена численная модель, позволяющая решить эту задачу. В основу модели положено уравнение движения идеальной жидкости и уравнение массопереноса. Для численного моделирования моделирующих уравнений используются разностные схемы. Численный расчет осуществляется на прямоугольной разностной сетке для формирования вида расчетной области и выделения ее особенностей и применяется метод маркирования. Модель позволяет рассчитать эффективность применения воздушной завесы для локальной защиты здания. Время расчета одного варианта задачи составляет несколько секунд. Представляются результаты проведенного вычислительного эксперимента. Актуальним завданням є захист будівель від попадання в них небезпечних речовин, мігруючих в атмосфері. Для вирішення цього завдання може використовуватися повітряна завіса, що є вертикальним потоком повітря, яке створює гидродинамический бар'єр на шляху мігруючої в атмосфері небезпечної речовини. При використанні цього методу захисту необхідно заздалегідь визначити його ефективності з урахуванням конкретних метеоумов, форми будівлі. У роботі представлена чисельна модель, що дозволяє вирішити це завдання. У основу моделі покладено рівняння руху ідеальної рідини і рівняння масопереносу. Для чисельного моделювання моделюючих рівнянь використовуються різницеві схеми. Чисельний розрахунок здійснюється на прямокутній різницевій сітці. Для формування виду розрахункової області і виділення її особливостей застосовується метод маркування. Модель дозволяє розрахувати ефективність застосування повітряної завіси для локального захисту будівлі. Час розрахунку одного варіанту завдання складає декілька секунд. Надаються результати проведеного обчислювального експерименту. Protection of buildings against hazardous substances migrating in the atmosphere is a pressing problem of today. To overcome this problem, an air curtain can be used presenting a vertical air flow which creates a hydrodynamic barrier for the hazardous agents migrating in the atmosphere. In order to use this method of protection it is necessary to pre-estimate its efficiency for the specific weather conditions and shape of the building. This paper presents a numerical model, which allows to overcome this problem. The model is based on the equations of ideal fluid motion and mass transfer equation. The numerical simulation uses the finite difference schemes. The numerical calculation is carried out on a rectangular grid. In order to form a computational domain and specify the domain features markers are used. The model allows to calculate an efficiency of the air curtain used for the building local protection. Time period for calculating one variant of the problem is few seconds. The article presents results of a computational experiment. 2014 Article Исследование эффективности применения воздушной завесы для локальной защиты здания при миграции в атмосфере токсичных веществ / Н.Н. Беляев, Н.В. Росточило // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 115. — С. 55-64. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/109535 622.012: 502.3 ru Геотехнічна механіка Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Актуальной задачей является защита зданий от попадания в них опасных веществ, мигрирующих в атмосфере. Для решения этой задачи может использоваться воздушная завеса, представляющая собой вертикальный поток воздуха, который создает гидродинамический барьер на пути мигрирующего в атмосфере опасного вещества. При использовании данного метода защиты необходимо заранее определить его эффективность с учетом конкретных метеоусловий и формы здания. В работе представлена численная модель, позволяющая решить эту задачу. В основу модели положено уравнение движения идеальной жидкости и уравнение массопереноса. Для численного моделирования моделирующих уравнений используются разностные схемы.
Численный расчет осуществляется на прямоугольной разностной сетке для формирования вида расчетной области и выделения ее особенностей и применяется метод маркирования. Модель позволяет рассчитать эффективность применения воздушной завесы для локальной защиты здания. Время расчета одного варианта задачи составляет несколько секунд. Представляются результаты проведенного вычислительного эксперимента. |
| format |
Article |
| author |
Беляев, Н.Н. Росточило, Н.В. |
| spellingShingle |
Беляев, Н.Н. Росточило, Н.В. Исследование эффективности применения воздушной завесы для локальной защиты здания при миграции в атмосфере токсичных веществ Геотехнічна механіка |
| author_facet |
Беляев, Н.Н. Росточило, Н.В. |
| author_sort |
Беляев, Н.Н. |
| title |
Исследование эффективности применения воздушной завесы для локальной защиты здания при миграции в атмосфере токсичных веществ |
| title_short |
Исследование эффективности применения воздушной завесы для локальной защиты здания при миграции в атмосфере токсичных веществ |
| title_full |
Исследование эффективности применения воздушной завесы для локальной защиты здания при миграции в атмосфере токсичных веществ |
| title_fullStr |
Исследование эффективности применения воздушной завесы для локальной защиты здания при миграции в атмосфере токсичных веществ |
| title_full_unstemmed |
Исследование эффективности применения воздушной завесы для локальной защиты здания при миграции в атмосфере токсичных веществ |
| title_sort |
исследование эффективности применения воздушной завесы для локальной защиты здания при миграции в атмосфере токсичных веществ |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2014 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/109535 |
| citation_txt |
Исследование эффективности применения воздушной завесы для локальной защиты здания при миграции в атмосфере токсичных веществ / Н.Н. Беляев, Н.В. Росточило // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 115. — С. 55-64. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| series |
Геотехнічна механіка |
| work_keys_str_mv |
AT belâevnn issledovanieéffektivnostiprimeneniâvozdušnojzavesydlâlokalʹnojzaŝityzdaniâprimigraciivatmosferetoksičnyhveŝestv AT rostočilonv issledovanieéffektivnostiprimeneniâvozdušnojzavesydlâlokalʹnojzaŝityzdaniâprimigraciivatmosferetoksičnyhveŝestv |
| first_indexed |
2025-07-07T23:17:22Z |
| last_indexed |
2025-07-07T23:17:22Z |
| _version_ |
1837032007119405056 |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 55
Abstract. Specificity of operation of the up-to-date tachometric device impellers made of dif-
ferent materials and applied in the world mining practices is analyzed in the article. It is noted that
mechanical durability of the impeller is a basic indication of their effective operation at different
speed of the air flow with maintained accuracy of measurements and maximally possible values. A
method is proposed for calculating tensions which cause bending moments in the impeller due to
the speed pressure of the air flowing onto the impeller. This method makes possible to choose opti-
mal material for the impeller making with taking into account all measurable factors which can im-
pact the impeller quality. The article also presents basic principles of the method for measuring sec-
tions of the mine tunnels of arbitrary shape. The findings can be used for improving the existing
model APR-2 and for designing a pre-production model of a device for controlling air consumption
and tunnel depression.
Keywords: tachometric converter, air flow, anemometer, materials for making of kryl'chatky,
speed pressure, range of measurings, reliability
Статья поступила в редакцию 20.02.2013
Рекомендовано к публикации д-ром техн. наук А.П. Круковским
УДК 622.012: 502.3
Н.Н. Беляев, д-р техн. наук, профессор,
Н.В. Росточило, инженер
(ГВУЗ «ДНУЖТ им. В. Лазаряна»)
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
ВОЗДУШНОЙ ЗАВЕСЫ ДЛЯ ЛОКАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ЗДАНИЯ ПРИ
МИГРАЦИИ В АТМОСФЕРЕ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
М.М. Біляєв, д-р техн. наук, профессор,
Н.В. Розточило, інженер
(ДВНЗ «ДНУЗТ ім. В. Лазаряна»)
ДОСЛІДЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ПОВІТРЯНОЇ
ЗАВІСИ ДЛЯ ЛОКАЛЬНОГО ЗАХИСТУ БУДІВЕЛЬ ПРИ МІГРАЦІЇ В
АТМОСФЕРІ ТОКСИЧНИХ РЕЧОВИН
N.N. Belyayev, D.Sc. (Tech.), Professor,
N.V. Rostochilo, Master of Science
(SHEE «DNURT named after V. Lazaryan»)
STUDY OF THE AIR CURTAIN EFFICIENCY WHEN IT IS USED FOR
THE BUILDING LOCAL PROTECTION AGAINST TOXIC AGENTS
MIGRATED IN THE ATMOSPHERE
Аннотация. Актуальной задачей является защита зданий от попадания в них опасных
веществ, мигрирующих в атмосфере. Для решения этой задачи может использоваться возду-
шная завеса, представляющая собой вертикальный поток воздуха, который создает гидроди-
намический барьер на пути мигрирующего в атмосфере опасного вещества. При использова-
нии данного метода защиты необходимо заранее определить его эффективность с учетом
конкретных метеоусловий и формы здания. В работе представлена численная модель, позво-
ляющая решить эту задачу. В основу модели положено уравнение движения идеальной жид-
кости и уравнение массопереноса. Для численного моделирования моделирующих уравне-
ний используются разностные схемы.
©Н.Н. Беляев, Р.В. Росточило, 2014
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 56
Численный расчет осуществляется на прямоугольной разностной сетке для формирова-
ния вида расчетной области и выделения ее особенностей и применяется метод маркирова-
ния. Модель позволяет рассчитать эффективность применения воздушной завесы для лока-
льной защиты здания. Время расчета одного варианта задачи составляет несколько секунд.
Представляются результаты проведенного вычислительного эксперимента.
Ключевые слова: численная модель, токсичные вещества, уравнение массопереноса,
уравнение отрывных течений невязкой жидкости
Постановка проблемы. Как известно, при функционировании различных
объектов горнопромышленного комплекса возможны ситуации, приводящие к
поступлению в атмосферу опасных веществ. Поэтому, возникает важная задача
по защите людей в зданиях, прилегающих к объекту. Данная задача привлекает
к себе повышенное внимание зарубежном [12]. Одним из методов защиты пер-
сонала в зданиях является применение локальной защиты – то есть защиты, ко-
торая организуется возле конкретно здания с целью локального снижения кон-
центрации возле здания. .
Такая защита может быть сделана с помощью воздушной завесы, создавае-
мой специальными устройствами (воздуходувки и т.п.) в тех местах, где надо
создать гидродинамический барьер на пути движущегося, загрязненного ток-
сичным веществом воздуха [2,5]. Для создания надежной локальной защиты
необходимо, на этапе проектирования, оценить ее эффективность с учетом кон-
кретных условий (форма зданий и т.п.), для различных метеоситуаций и т.д.
Решение такой задачи может быть получено с помощью метода численного мо-
делирования. Поэтому разработка специализированных численных моделей,
служащих для поддержки принятия решений по организации защитных меро-
приятий является важной задачей в области экологической и промышленной
безопасности [2, 9-11].
Анализ публикаций. Анализ литературных источников показывает, что
существует ограниченное количество работ, посвященных математическому
решению этой проблемы. Так в работе [2] рассмотрено построение математиче-
ской модели и ее применение для оценки эффективности использования воз-
душной завесы при миграции в атмосфере шлейфа или облака токсичного газа.
Но построенная модель не учитывает влияния зданий на процесс защиты.
Цель статьи. Целью данной работы является разработка математической
модели для расчета эффективности применения воздушной завесы для локаль-
ной защиты здания при миграции в атмосфере токсичных веществ.
Формулировка задачи. Рассматривается миграции в атмосфере токсичного
вещества, в условиях застройки. Будем считать, что в атмосфере движется об-
лако такого вещества. Ставится задача - локально снизить концентрацию этого
вещества возле наветренной стороны здания (рис.1).
Для инженерного решения этой задачи планируется применение воздушной
завесы. Поэтому необходимо оценить эффективность такой защиты.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 57
1– облако токсичного вещества;
2 – положение воздушной завесы (вдуваемой струи)
Рисунок 1 – Схема подачи воздушной струи перед зданием
(локальная защита здания от загрязнения)
Моделирующие уравнения. Для расчета концентрации токсичного вещест-
ва в атмосфере используется осредненное по ширине переноса (профильная за-
дача) уравнение транспорта загрязнителя [1,3,4,7]
( )
х y
C u C v w C
t x y
C C
x x y y
μ μ
∂ ∂ ∂ −
+ + =
∂ ∂ ∂
⎛ ⎞∂ ∂ ∂ ∂⎛ ⎞= +⎜ ⎟ ⎜ ⎟∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠ ⎝ ⎠
. (1)
где С – концентрация примеси (токсичное вещество); u, v, – компоненты векто-
ра скорости движения ветрового потока; w - скорость гравитационного оседа-
ния примеси; μ = (μх , μy) – коэффициенты атмосферной диффузии; t-время;
Ось Y направлена вертикально вверх.
Постановка краевых условий для данного уравнения рассмотрена в работах
[1,4,7]. Для расчета коэффициентов атмосферной диффузии используются та-
кие зависимости [3]
μу=0,11z; μx=0,2u;
где u – скорость ветра, z – текущее значение высоты, n= 0.15 – параметр [3].
Профиль скорости на входе в расчетную область полагается равномерным.
Решение уравнения (1) можно получить, если известно поле скорости ветро-
вого потока, которое формируется под влиянием застройки. Для расчета поля
скорости ветрового потока используется модель отрывных течений идеальной
жидкости. Для решения задачи в такой постановке необходимо проинтегриро-
вать следующие уравнения [4,6]:
Уравнение Пуассона для функции тока ψ :
2 2
2 2x y
∂ ψ ∂ ψ ω
∂ ∂
+ = − . (2)
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 58
Уравнение переноса завихренности v u
x y
∂ ∂ω
∂ ∂
= − в воздушном потоке:
0u v
t x y
∂ ω ∂ ω ∂ ω
∂ ∂ ∂
+ + = . (3)
Компоненты вектора скорости рассчитываются по зависимостям
; .u v
y x
∂ψ ∂ψ
∂ ∂
= = − (4)
Постановка краевых условий для уравнений модели рассмотрена [4,6].
Численное интегрирование моделирующих уравнений. Численное ин-
тегрирование моделирующих уравнений осуществляется на прямоугольной
разностной сетке. Формирование вида расчетной области (место расположения
зданий) осуществляется с помощью технологии ‘porosity technique’ [1,2,4].
Кроме этого, данная технология используется для задания места положения
воздушной завесы.
При решении гидродинамической задачи используются неявные разностные
схемы расщепления. Так разностные уравнения для расчета завихренности, на
каждом шаге расщепления, записываются так:
- на первом шаге расщепления
1 1 1
2 2 2
, , 1, , , 1, , 1 , , 1 , 1 0
n n nn
i j i j i j i j i j i j i j i j i j i ju u
t x y
ω ω ω ω ν ω ν ω
+ + ++ + + +
+ − + − −+ − −
+ + =
Δ Δ Δ
- на втором шаге расщепления
1 1 1 1 1 1
, , 1, 1, , , , 1 , 1 , 1 0
n n n n n n
i j i j i j i j i j i j i j i j i j iju u
t x y
ω ω ω ω ν ω ν ω+ + − + − + − + − +
+ + + + −− − −
+ + =
Δ Δ Δ
Неизвестное значение завихренности на каждом шаге расщепления опреде-
ляется по формуле бегущего счета. Для численного интегрирование уравнения
Пуассона для функции тока используется метод А.А. Самарского [6]. Интен-
сивность вихрей в точках отрыва рассчитывается на основе методологии, рас-
смотренной в работе [4].
Для численного интегрирования уравнения (1) используется четырехшаго-
вая попеременно – треугольная разностная схема расщепления [1,4].
Программная реализация модели (код Jet-2D).
На основе построенной численной модели создан код, реализованный на ал-
горитмическом языке FORTRAN. В состав кода входят следующие подпро-
граммы:
– RUP1 – расчет процесса переноса токсичного вещества на первом и чет-
вертом шаге расщепления (численное решение уравнения транспорта токсич-
ного вещества в атмосфере);
– RUP2 – расчет процесса переноса токсичного вещества на втором и треть-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 59
ем шаге расщепления (численное решение уравнения транспорта токсичного
вещества в атмосфере);
– RB – реализация граничных условий для уравнения транспорта токсично-
го вещества в атмосфере;
– RiW – решение уравнения для переноса завихренности;
– RiPSI – решение уравнения для функции тока.
– RWP – реализация граничных условий для уравнения переноса завихрен-
ности;
– RPSIP – реализация граничных условий для уравнения для функции тока;
– RSP – расчет поля скорости воздушного потока в расчетной области;
– RPE – печать результатов расчета.
– RWVX. dat – файл исходных данных.
Алгоритм расчета.
Основные этапы расчета на базе построенной численной модели состоят в
следующем:
1. Вводится исходная информация, определяющая физическую постановку
моделируемого процесса (скорость ветра, положение здания, его размеры, по-
ложение воздушной завесы и т.п.).
2. Осуществляется решение уравнений гидродинамики и рассчитывается
поле скорости воздушного потока.
3. Осуществляется решение уравнения транспорта токсичного вещества в
атмосфере и определяется его концентрация в расчетной области в различные
моменты времени.
4. Осуществляется печать поля концентрации токсичного вещества в рас-
четной области и на месте расположения рецептора для данного момента вре-
мени.
Исходные данные для модели.
Для моделирования рассматриваемого процесса необходимо задать сле-
дующую входную информацию:
1) параметры метеоситуации;
2) положение зданий и их форму;
3) положение места размещения воздуходувки, создающей воздушную заве-
су; скорость вдува и ширина участка вдува;
4) координаты рецептора;
5) концентрацию токсичного вещества в облаке.
Практическая реализация CFD модели.
Разработанная модель была использована для исследования эффективности
применения воздушной завесы для следующей ситуации. Перед зданием (зда-
ние имеет сложную форму) создается вертикальная воздушная струя, выходя-
щая из воздуходувки с определенной скоростью (рис.1). Высота левого блока
здания – 6м, высота среднего блока - 14м, высота правого блока здания -10м,
ширина здания 20м. Скорость невозмущенного ветрового потока – 3м/с (ско-
рость потока на входе в расчетную область); Концентрация токсичного вещест-
ва в облаке в начальный момент времени (HCN) равна 1(в безразмерном виде).
Размеры расчетной области 100м*42 м. Требуется определить, как будет сни-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 60
жена концентрация токсичного вещества в точке расположения рецептора при
«работе» воздушной завесы, имеющей различную начальную скорость подачи
воздушной струи. Координаты первого рецептора – положение, например, воз-
духозаборника системы вентиляции («низкий» рецептор) x=52м. y =6м; коор-
динаты второго рецептора («высокий» рецептор) x=52м. y =6м;
Рассматривались следующие сценарии:
1. Скорость вдува вертикальной воздушной струи 10 м/с.
2. Скорость вдува вертикальной воздушной струи 15 м/с.
Рассмотрим результаты моделирования, полученные на базе разработанной
CFD модели. На рис. 2,3 представлено распределение безразмерного значения
концентрации HCN в расчетной области для случая, когда отсутствует воздуш-
ная завеса.
Рисунок 2 – Распределение концентрации опасного вещества
при отсутствии воздушной завесы (t=1с, Cmax=0.9865)
О – точка расположения «нижнего» рецептора.
Рисунок 3 – Распределение концентрации опасного вещества
возле здания при отсутствии воздушной завесы
(t=7,5с, Cmax=0.5220.);
На данных рисунках поле концентрации представлено в виде матрицы, что
позволяет быстро определять наиболее загрязненные подзоны и, что особенно
важно – в области расположения рецептора. Значение концентрации на этих
рисунках представлено в безразмерном виде: каждое число – это величина кон-
центрации в процентах от величины максимальной концентрации на данный
момент времени. Печать осуществляется по формату «целое число».
Из рис.3 видно, что облако, с течением времени, создает зону загрязнения
вокруг всего здания, значит через окна, отверстия вентиляции токсичное веще-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 61
ство попадет внутрь здания и создаст угрозу токсичного поражения людей
внутри него.
На последующих рисунках (рис.4 и 5) представлено распределение концен-
трации токсичного вещества в расчетной области при работе воздушной заве-
сы.
Рисунок 4 – Зона загрязнения для момента времени t=7,5с
(скорость вдува струи 10 м/, Cmax=0.4370с.)
О – точка расположения «верхнего» рецептора
Рисунок 5 – Зона загрязнения для момента времени t=7,5с
(скорость вдува струи 15 м/с, Cmax=0.4007);
Как видно из представленных рисунков, наличие воздушной завесы изменя-
ет поле распределения концентрации токсичного вещества возле здания. Ис-
пользование воздушной завесы приводит к снижению концентрации токсично-
го вещества возле наветренной стороны второго здания. Например, непосредст-
венно за воздушной завесою, возле наветренной стороны этого здания, до
уровня порядка 6м от поверхности земли, наблюдается отсутствие загрязнения,
а далее, с высотой – наблюдается рост концентрации токсичного вещества, т.е.
влияние вдуваемой струи - уменьшается и тем самым – уменьшается эффектив-
ность защиты. Но для струи, имеющей большую начальную скорость – это
снижение эффективности не такое интенсивное. Например, как видно из рис.4
и.5 на крыше здания, при скорости вдува струи 10 м/с значение концентрации
составляет величину порядка 14% – 20% от максимальной концентрации в рас-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 62
четной области, а при скорости вдува струи 15 м/с значение концентрации в
этом месте составляет величину порядка 7% – 14%, т.е. заметно меньше.
Для оценки эффективности применения воздушной завесы в табл.1 и 2
представлено значение концентрации токсичного вещества в точке расположе-
ния «нижнего» и «верхнего» рецепторов, а также значение «эффективности»
защиты, которая рассчитывался следующим образом
( ) 100%sC C
I
C
− ⋅
=
где C - концентрация токсичного вещества в точке расположения рецептора
при отсутствии воздушной завесы;
sC - концентрация токсичного вещества в точке расположения рецептора при
применении воздушной завесы;
Таблица 1 – Безразмерное значение концентрации
токсичного вещества в точке расположения «низкого» рецептора
Сценарий Время
t=5с
Время
t=7,5с
I – интенсивность снижения
концентрации (t=7,5с)
Нет воздушной завесы 0.056 0.1224 ---------
Скорость вдува 10м/с 0.0028 0.0038 96.89%
Скорость вдува 15м/с 0.0008 0.0009 99.99%
Таблица 2 – Безразмерное значение концентрации
токсичного вещества в точке расположения «высокого» рецептора
Сценарий Время
t=5с
Время
t=7,5с
I - интенсивность снижения концентрации
(t=7,5с)
Нет воздушной
Завесы 0.0852 0.1632 ---------
Скорость вдува
10м/с 0.0161 0.0202 87.62%
Скорость вдува
15м/с 0.0071 0.0074 95.46%
Выводы. В работе представлена новая CFD модель для расчета эффектив-
ности применения воздушной завесы с целью локальной защиты здания от за-
грязнения. Для решения гидродинамической задачи используется модель от-
рывных течений идеальной жидкости. Для расчета переноса опасного в атмо-
сфере используется модель Марчука Г. И. При практической реализации на ПК
разработанной CFD модели требуются небольшие затраты компьютерного вре-
мени. Дальнейшее развитие данной тематики следует вести в направлении по-
строения 3-D модели.
_____________________________
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 63
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антошкина, Л.И. Оценка экологического риска при авариях с химически опасными вещест-
вами / Л.И. Антошкина, Н.Н. Беляев, Е.Ю. Гунько : Наука и образование: Днепропетровск, 2008. -
132 с.
2. Беляев, Н.Н. Защита атмосферы от загрязнения при миграции токсичных веществ / Н.Н. Беля-
ев, В.М. Лисняк - ООО «Инновация»: Днепропетровск, 2006 - 150 с.
3. Берлянд, М. Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы / М.Е. Берлянд - Л.: Гидро-
метеоиздат, 1985 - 273 с.
4. Численное моделирование распространения загрязнения в окружающей среде / М. З. Згуров-
ский, В. В. Скопецкий, В. К. Хрущ, Н. Н. Беляев. - К.: Наук. думка, 1997 - 368 с.
5. Купаев, В. И. Методы локализации очага аварии и ликвидации ее последствий на химически
опасных объектах железнодорожного транспорта / В. И. Купаев, С. В. Рассказов // Транспорт. наука,
техника, управление. - 2003. - №4. - С.28-34.
6. Лойцянский, Л. Г. Механика жидкости и газа. / Л.Г. Лойцянский. - М.: Наука, 1978. - 735 с.
7. Марчук, Г. И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. / Г.И. Марчук.
- М.: Наука, 1982. - 320 с.
8. Самарский, А. А. Теория разностных схем. / А.А. Самарский - М.: Наука, 1983. – 616 с.
9. Belyayev, N. N. An engineering approach to simulate the 3-d wind flows over buildings / N. N. Be-
layev, V. K. Khrutch // Proceedings of the Fourth Intern. Colloquium on Bluff Body Aerodynamics & Ap-
plications, Ruhr-Universitat. Volume of Abstracts. – Bochum (Germany), Sept. 11–14, 2000, – P. 471–475.
10. Belyayev, N. N. Computer simulation of the pollutant dispersion among buildings. / N. N. Belayev,
M. I. Kazakevitch, V. К. Khrutch // Wind Engineering into 21st Century: Proceedings of the Tenth Intern.
Conf. on Wind Engineering. – Copenhagen (Denmark) A. A. Balkema / Rotterdam – Brookfield, 1999. – P.
1217–1220.
11. Belyayev,N.N. Numerical Simulation of Indoor Air Pollution and Atmosphere Pollution for Regions
Having Complex Topography // Air Pollution Modeling and its Application XXI, Springer, 2012. - p.87-91
12. Protecting buildings and their occupants from airborne hazards. U.S. Army Corps of Engineers, En-
gineering and Construction Division, Directorate of Military Programs, Washington, DC 20314 – 1000. TI
852-01, October 2001.
REFERENCES
1. Antoshkina, L.I., Belyaev, N.N.and Gunko, E.Yu. (2008), Otsenka ekologicheskogo riska pri avari-
yakh s himicheski opasnyimi veschestvami [Estimation of ecological risk at failures with the chemically haz-
ardous substances], Nauka i obrazovanie, Dnepropetrovsk, Ukraine.
2. Belayev, N.N. and Lisnyak, V.M. (2006), Zaschita atmosfery ot zagryazneniya pri migratsii tok-
sichnyikh veshchestv [Defence of atmosphere from contamination during migration of toxic matters]. SCR
«Innovatsiya», Dnepropetrovsk, Ukraine.
3. Berlyand, M. E. (1985), Prognoz i regulirovanie zagryazneniya atmosfery [Prognosis and adjusting of
contamination of atmosphere], Gidrometeoizdat, Leningrad, SU.
4. Zgurovsky, M., Skopetsky, V.V., Hrusch, V.K. and Belyayev, N.N. (1997), Chislennoe modeliro-
vaniye rasprostraneniya zagryazneniya v okruzhayuschey srede [Numeral simulation of distribution of con-
tamination in an environment], Naukova dumka, Kiev, Ukraine.
5. Kupaev, V. I. and Rasskazov, S.V. (2003), "Methods of localization of hearth of failure and liquida-
tion of its consequences on the chemically dangerous objects of railway transport", Transport. nauka,
tehnika, upravlenie, no.4, pp.28-34.
6. Loytsyanskiy, L. G. (1978), Mekhanika zhidkosti i gaza [Mechanics of liquid and gas], Nauka, Mos-
cow, SU.
7. Marchuk, G. I. (1982), Matematicheskoye modelirovaniye v probleme okruzhayushchey sredy
[Mathematical simulation in the problem of environment], Nauka, Moscow, SU.
8. Samarsky, A. A. (1983), Teoriya raznostnykh skhem [Theory of difference charts], Nauka, Moscow,
SU.
9. Belyayev, N. N. An engineering approach to simulate the 3-d wind flows over buildings / N. N. Be-
layev, V. K. Khrutch // Proceedings of the Fourth Intern. Colloquium on Bluff Body Aerodynamics & Ap-
plications, Ruhr-Universitat. Volume of Abstracts. – Bochum (Germany), Sept. 11–14, 2000, – P. 471–475.
10. Belyayev, N. N. Computer simulation of the pollutant dispersion among buildings. / N. N. Belayev,
M. I. Kazakevitch, V. К. Khrutch // Wind Engineering into 21st Century: Proceedings of the Tenth Intern.
Conf. on Wind Engineering. – Copenhagen (Denmark) A. A. Balkema / Rotterdam – Brookfield, 1999. – P.
1217–1220.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 64
11. Belyayev, N.N. M. Numerical Simulation of Indoor Air Pollution and Atmosphere Pollution for Re-
gions Having Complex Topography // Air Pollution Modeling and its Application XXI, Springer, 2012. -
p.87-91
12. Protecting buildings and their occupants from airborne hazards. U.S. Army Corps of Engineers, En-
gineering and Construction Division, Directorate of Military Programs, Washington, DC 20314 – 1000. TI
852-01, October 2001.
_____________________________
Об авторах
Беляев Николай Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Гидравлика и
водоснабжение» Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта
имени академика В. Лазаряна. Днепропетровск, Украина.
Росточило Наталья Васильевна, ассистент кафедры «Гидравлика и водоснабжение» Днепро-
петровского национального университета железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаря-
на, Днепропетровск, Украина.
About the authors
Belyaev Nikolay Nikolayevich, Doctor of technical Sciences (D.Sc), Professor, Head of the Department
«Hydraulics and water supply» of Dnepropetrovsk national university of railway transport named after V.
Lazaryan, Dnepropetrovsk, Ukraine.
Roctochilo Natalia Vasilievna, Assistant of the Department «Hydraulics and water supply» of Dne-
propetrovsk national university of railway transport named after V. Lazaryan, Dnepropetrovsk, Ukraine.
_____________________________
Анотація. Актуальним завданням є захист будівель від попадання в них небезпечних ре-
човин, мігруючих в атмосфері. Для вирішення цього завдання може використовуватися пові-
тряна завіса, що є вертикальним потоком повітря, яке створює гидродинами-ческий бар'єр на
шляху мігруючої в атмосфері небезпечної речовини. При використанні цього методу захисту
необхідно заздалегідь визначити його ефективності з урахуванням конкретних метеоумов,
форми будівлі. У роботі представлена чисельна модель, що дозволяє вирішити це завдання.
У основу моделі покладено рівняння руху ідеальної рідини і рівняння масопереносу. Для чи-
сельного моделювання моделюючих рівнянь використовуються різницеві схеми. Чисельний
розрахунок здійснюється на прямокутній різницевій сітці. Для формування виду розрахунко-
вої області і виділення її особливостей застосовується метод маркування. Модель дозволяє
розрахувати ефективність застосування повітряної завіси для локального захисту будівлі. Час
розрахунку одного варіанту завдання складає декілька секунд. Надаються результати прове-
деного обчислювального експерименту.
Ключові слова: Чисельна модель, токсичні речовини, рівняння масопереносу, рівняння
відривних течій нев'язкої рідини
Abstract.
Protection of buildings against hazardous substances migrating in the atmosphere is a pressing
problem of today. To overcome this problem, an air curtain can be used presenting a vertical air
flow which creates a hydrodynamic barrier for the hazardous agents migrating in the atmosphere. In
order to use this method of protection it is necessary to pre-estimate its efficiency for the specific
weather conditions and shape of the building. This paper presents a numerical model, which allows
to overcome this problem. The model is based on the equations of ideal fluid motion and mass
transfer equation. The numerical simulation uses the finite difference schemes. The numerical cal-
culation is carried out on a rectangular grid. In order to form a computational domain and specify
the domain features markers are used. The model allows to calculate an efficiency of the air curtain
used for the building local protection. Time period for calculating one variant of the problem is few
seconds. The article presents results of a computational experiment.
Keywords: Numerical model, toxic agents, mass transfer equation, equation for the nonviscous-
liquid separated flows.
Статья поступила в редакцию 25.02.1914
Рекомендовано к печати д-ром техн. наук В.Г. Шевченко
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 65
УДК 622.817.4+622.454
Т.В. Бунько, д-р техн. наук, ст. научн. сотр.
(ИГТМ НАН Украины)
К ВОПРОСУ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ
ПРОЦЕССАМИ ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ НА
ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКАХ
Т.В. Бунько, д-р техн. наук, ст. наук. співр.
(ІГТМ НАН України)
ДО ПИТАННЯ ВДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ УПРАВЛІННЯ
ПРОЦЕСАМИ ПОВІТРОРОЗПОДІЛУ І ГАЗОВИДІЛЕННЯ НА
ВИЇМКОВИХ ДІЛЯНКАХ
T.V. Bunko , D. Sc. (Tech.), Senior Reseacher
(IGTM NAS of Ukraine)
TO THE ISSUE OF IMPROVEMENT OF TECHNOLOGY FOR
CONTROLLING AIR-DISTRIBUTION AND GAS-RELEASE PROCESSES
IN THE WORKING AREAS
Аннотация. Рассмотрен процесс развития технологических схем проветривания и дега-
зации выемочных участков угольных шахт. Показано, что вакуумирование и отвод по трубо-
проводу притечек газовоздушной смеси из верхней части лавы за пределы выемочного уча-
стка создает возможность влиять на аэродинамический процесс одновременно в двух на-
правлениях – в управлении газовыделением и воздухораспределением. Такое влияние рас-
смотрено в условиях основных используемых схем проветривания. Освещены вопросы со-
вершенствования технологии совместного управления процессами воздухораспределения и
газораспределения навыемочных участках,что позволит увеличить эффективность проветри-
вания за счет перераспределения долевого участия вентиляции и дегазации в процессе уда-
ления метана за пределы выемочного участка с последующим обогащением метановоздуш-
ной смеси с ее последующей утилизацией.
Ключевые слова: технологические схемы проветривания, дегазация выемочных участ-
ков, вакуумирование, воздухораспределение.
По мере увеличения глубины ведения горных работ, выделение метана не-
прерывно возрастает, что связано с увеличением газоносности угольных пла-
стов и вмещающих пород. В соответствии с этим изменяется и структура газо-
вого баланса, в котором все более повышается удельный вес выработанного
пространства. Уже при сплошной системе отработки на некоторых действую-
щих выемочных участках газовыделение из выработанного пространства дос-
тигает 70-80% от их общего дебита метана.
Последнее усложняет технологию ведения горных работ, а недоступность
выработанного пространства не позволяет непосредственно воздействовать на
его газообильность.
Особенностью газовыделения из выработанного пространства является его
независимость от вида работ по выемке угля, а также возможность его резкого
временного повышения в результате падения барометрического давления или
обрушения кровли.
_________________________________________________________________
© Т.В. Бунько, 2014
|