CFD моделирование загрязнения моря при сбросе шахтных вод
На базі розробленої CFD моделі виконано розрахунок забруднення акваторії моря при скиді шахтних вод. Модель базується на чисельному інтегруванні рівняння конвективнодифузійного переносу домішки та моделі потенційного руху. Наводяться результати обчислювального експерименту....
Gespeichert in:
| Datum: | 2012 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Schriftenreihe: | Геотехническая механика |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54274 |
| 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: | CFD моделирование загрязнения моря при сбросе шахтных вод / Н.Н. Беляев, П.С. Кириченко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 104. — С. 259-263. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-54274 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-542742014-01-31T03:12:22Z CFD моделирование загрязнения моря при сбросе шахтных вод Беляев, Н.Н. Кириченко, П.С. На базі розробленої CFD моделі виконано розрахунок забруднення акваторії моря при скиді шахтних вод. Модель базується на чисельному інтегруванні рівняння конвективнодифузійного переносу домішки та моделі потенційного руху. Наводяться результати обчислювального експерименту. A CFD model was developed to calculate the sea pollution in the case of the mine waters discharge. The model is based on the numerical integration of the K-gradient transport model and the model of the potential flow. The results of numerical experiment are presented. 2012 Article CFD моделирование загрязнения моря при сбросе шахтных вод / Н.Н. Беляев, П.С. Кириченко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 104. — С. 259-263. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54274 625.35 ru Геотехническая механика 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 |
На базі розробленої CFD моделі виконано розрахунок забруднення акваторії моря при
скиді шахтних вод. Модель базується на чисельному інтегруванні рівняння конвективнодифузійного переносу домішки та моделі потенційного руху. Наводяться результати обчислювального експерименту. |
| format |
Article |
| author |
Беляев, Н.Н. Кириченко, П.С. |
| spellingShingle |
Беляев, Н.Н. Кириченко, П.С. CFD моделирование загрязнения моря при сбросе шахтных вод Геотехническая механика |
| author_facet |
Беляев, Н.Н. Кириченко, П.С. |
| author_sort |
Беляев, Н.Н. |
| title |
CFD моделирование загрязнения моря при сбросе шахтных вод |
| title_short |
CFD моделирование загрязнения моря при сбросе шахтных вод |
| title_full |
CFD моделирование загрязнения моря при сбросе шахтных вод |
| title_fullStr |
CFD моделирование загрязнения моря при сбросе шахтных вод |
| title_full_unstemmed |
CFD моделирование загрязнения моря при сбросе шахтных вод |
| title_sort |
cfd моделирование загрязнения моря при сбросе шахтных вод |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54274 |
| citation_txt |
CFD моделирование загрязнения моря при сбросе шахтных вод / Н.Н. Беляев, П.С. Кириченко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 104. — С. 259-263. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT belâevnn cfdmodelirovaniezagrâzneniâmorâprisbrosešahtnyhvod AT kiričenkops cfdmodelirovaniezagrâzneniâmorâprisbrosešahtnyhvod |
| first_indexed |
2025-07-05T05:38:14Z |
| last_indexed |
2025-07-05T05:38:14Z |
| _version_ |
1836784178958434304 |
| fulltext |
259
УДК 625.35
Доктор техн. наук Н.Н. Беляев
(Днепропетровский национальный университет
железнодорожного транспорта),
ассистент П.С. Кириченко
(Криворожский технический университет)
CFD МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ МОРЯ ПРИ СБРОСЕ
ШАХТНЫХ ВОД
На базі розробленої CFD моделі виконано розрахунок забруднення акваторії моря при
скиді шахтних вод. Модель базується на чисельному інтегруванні рівняння конвективно-
дифузійного переносу домішки та моделі потенційного руху. Наводяться результати об-
числювального експерименту.
CFD MODELLING OF THE SEA POLLUTION IN THE CASE OF THE
MINE WATERS DISCHARGE
A CFD model was developed to calculate the sea pollution in the case of the mine waters
discharge. The model is based on the numerical integration of the K-gradient transport model and
the model of the potential flow. The results of numerical experiment are presented.
Введение. Одной из острых экологических проблем Криворожского района
является проблема утилизации шахтных вод. В настоящее время эти воды
накапливаются в прудах-накопителях и сбрасываются из них в реки. Шахтные
воды содержат различные примеси. Например, шахтные воды, которые накап-
ливаются в балке «Свистунова», имеют концентрацию хлоридов порядка 20200
мг/л , сульфатов 1320 мг/л, минерализацию 38000 мг/л и т.д. Поэтому, функци-
онирование таких прудов в течение многих лет привело к интенсивному и нега-
тивному воздействию шахтных вод на подземные и поверхностные воды в ре-
гионе. Как один из вариантов частичной утилизации шахтных вод, сейчас рас-
сматривается проект отвода их в акваторию Черного моря. В рамках этой слож-
ной экологической задачи необходимо рассчитать процесс рассеивания шахт-
ных вод в море. Поэтому целью настоящей работы является разработка числен-
ной модели для прогноза интенсивности загрязнения акватории моря в случае
возможной реализации этого проекта.
Математическая модель. Полагается, что сброс шахтных вод в море будет
происходить на определенном расстоянии от берега моря (рис.1).
Рис. 1 – Схема сброса шахтных вод в море
260
Расход сбрасываемых шахтных вод, их качественный состав (концентрация
примеси в водах) считаются известными.
Процесс разбавления шахтных вод в море рассчитывается на базе осреднен-
ного по ширине потока уравнения переноса примеси [1, 2, 4, 6]:
gradCdiv
y
vC
x
uC
t
C
,
(1)
где С – концентрация загрязнителя, мг/м
3
; u, v, – компоненты вектора ско-
рости водного потока, м/с; μ = (μх , μy) – коэффициенты диффузии, м
2
/с; t-
время, с.
Для данного уравнения ставятся следующие граничные условия. На твер-
дых непроницаемых стенках (дно, препятствия в потоке) реализуется граничное
условие вида:
0
n
C
, (2)
где n – единичный вектор внешней нормали к твердой поверхности.
На входной границе (граница входа потока шахтных вод и потока морской
воды) ставится условие вида:
Eграница
CC
,
где EС – известное значение концентрации загрязнителя. Для потока мор-
ской воды положим 0EС .
На выходной границе расчетной области в численной модели ставится
«циклическое» граничное условие:
jiCjiC ,,1 ,
где i+1, j – номер разностной ячейки на выходе из устройства.
На свободной поверхности (верхняя граница области) ставится условие вида
(2). В начальный момент времени полагается C=0 внутри расчетной области.
Для расчета поля скорости водной среды при взаимодействии потока мор-
ской воды со входящим потоком шахтных вод используется модель потенци-
ального течения. В этом случае базовое уравнение имеет вид [3, 5]:
0
2
2
2
2
y
P
x
P
, (3)
где P – потенциал скорости.
261
Для данного уравнения ставятся следующие граничные условия [5]:
- на твердых стенках: 0
n
P
, где n – единичный вектор внешней нормали к
твердой границе;
- на входной границе (зона втекания морской воды или шахтных вод):
nV
n
P
, где
nV – известное значение скорости втекания, м/с;
-на выходной границе расчетной области: constyconstxPP , (усло-
вие Дирихле).
Компоненты вектора скорости потока рассчитываются зависимостями [3, 5]:
y
P
v
x
P
u , .
Метод решения. Для численного интегрирования уравнений модели ис-
пользуется ортогональная разностная сетка. Геометрическая форма расчетной
области (положение отверстия для ввода шахтных вод, положение водобойной
стенки и т.п.) задаются в численной модели с помощью метода «фиктивных
ячеек». Для численного интегрирования уравнения переноса примеси (1) ис-
пользуется неявная разностная схема расщепления [1, 2, 4]. Численное инте-
грирование уравнения для потенциала скорости проводится с использованием
идеи установления решения по времени и с применением попеременно – тре-
угольного метода А.А. Самарского [7].
Практическая реализация модели. На основе рассмотренной модели со-
здан код, язык программирования – FORTRAN. Расчет сброса разбавленных
шахтных вод, на базе разработанного кода, проведен для следующих исходных
данных. Полагается, что внутри водовыпуска происходит разбавление шахтных
вод и концентрация загрязнителя на выходе из устройства составляет 25% от
концентрации в неразбавленных шахтных водах (т.е. в водах, находящихся в
пруде-накопителе), поэтому не учитывается гравитационное оседание в море
минерализованных шахтных вод. Средняя скорость потока на выходе из водо-
выпуска – 1.5 м/с; глубина моря 12 м; скорость ветра 3 м/с; средняя скорость
морского потока и значение коэффициентов диффузии рассчитывается на базе
эмпирических зависимостей, принятых в нормативной методике с учетом ско-
рости ветра и глубины моря. На границе х=0 задается равномерный профиль
скорости морского потока. Концентрация загрязнителя на выходе из водовы-
пуска полагается равной 1 (в безразмерном виде). Длина расчетной области 55
м, высота 12 м. Рассматривается сценарий сброса, когда перед отверстием во-
довыпуска размещена водобойная стенка. Высота стенки 2 м, длина 8.8 м.
Результаты вычислительного эксперимента показаны на рис. 2 и 3. Здесь
представлено распределение изолиний «избыточной» концентрации примеси в
расчетной области, т.е., концентрации, превышающей фоновую. Данные
расчета представлены в виде матрицы распределения концентрации примеси.
Значение концентрации загрязнителя приводится в безразмерном виде: каждое
число – это значение концентрации примеси в процентах от величины
262
концентрации в потоке, выходящем из водовыпуска. Печать чисел
осуществляется по формату «целое число», т.е. без сохранения дробной части.
Рис.2 – Распределение концентрации загрязнителя в море вблизи водобойной стенки (сбросная труба на
дне)
Рис. 3 – Распределение концентрации загрязнителя в море вблизи водобойной стенки (сбросная труба
приподнята над дном)
Расчет выполнен для двух ситуаций: сбросная труба размещена на дне
(рис.2) и сбросная труба приподнята над дном (рис.3). Четко видно формирова-
ние зоны загрязнения в виде «горба» над водобойной стенкой. Наиболее интен-
сивно загрязнена акватория перед стенкой. Сравнивая эти рисунки, мы видим,
что когда сбросная труба размещена на дне концентрация примеси перед стен-
кой, возле дна, составляет величину порядка 96%, а для ситуации, когда труба
приподнята – 35%. Аналогично, за стенкой акватория возле дна более загрязне-
на для первой ситуации. Тем не менее, как видно из приведенных рисунков,
концентрация примеси на расстоянии порядка 50 м от места сброса составляет
величину 1-2% от концентрации примеси, выходящей из сбросного отверстия.
Таким образом, учитывая тот факт, что из водовыпуска в море поступают уже
разбавленные шахтные воды (в них концентрация составляет, как отмечалось
выше, 25% от той, что в пруде накопителе), можно утверждать, что на данном
263
расстоянии от сбросного отверстия избыточная концентрация примеси будет
незначительно превышать фоновую.
В заключение следует подчеркнуть, что для расчета одного варианта задачи
потребовалось 7 с компьютерного времени.
Выводы. В работе разработана 2D CFD модель для расчета процесса раз-
бавления шахтных вод в море. Построенная модель позволяет рассчитывать
процесс разбавления с учетом взаимодействия морского потока и потока шахт-
ных вод, и основных физических факторов, влияющих на рассматриваемый
процесс. Дальнейшее развитие настоящей работы следует проводить в направ-
лении создания 3D модели процесса разбавления шахтных вод в море на базе
модели вязкой жидкости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антошкина Л.И. Численное моделирование процессов загрязнения поверхностных и подземных вод / Л.И.
Антошкина, Н.Н. Беляев, Зыонг Нгуен Суан, Е.Д. Коренюк – Днепропетровск: «ЧП Свидлер А.Л.», 2004.–167с.
2. Антошкина Л.И. Математические модели в задачах водопользования / Л.И. Антошкина, В.М. Багрий, Н.Н.
Беляев, И.И. Дудникова, Е.Д. Коренюк – Днепропетровск: «ЧП Грек А.С.», 2006. – 168с.
3. Гуревич М.И. Теория струй идеальной жидкости / М.И. Гуревич. - М.: Наука, 1979. –536с.
4. Згуровский М. З. Численное моделирование распространения загрязнения в окружающей среде / М.З.
Згуровский, В.В. Скопецкий, В.К. Хрущ, Н.Н. Беляев.. – К.: Наук. думка, 1997. – 368 с.
5. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа / Л.Г. Лойцянский – М.: Наука, 1978. – 735 с.
6. Марчук Г. И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды / Г.И. Марчук – М.:
Наука, 1982. – 320с.
7. Самарский А. А. Теория разностных схем / А.А. Самарский – М.: Наука, 1983. – 616с.
УДК 622.02.6:622.648.2
Доктор техн. наук О.В. Витушко
(Шахта Ольховая-Западная),
канд. техн. наук С.В. Дзюба
(ИГТМ НАН Украины)
ЗНАЧЕНИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ
ЭФФЕКТИВНОЙ РАБОТЫ УГОЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Розглянуто підземні гідротехнічні споруди з точки зору забезпечення регламентованого
гідравлічного режиму функціонування шахти і безпечного ведення гірничих робіт. Пред-
ставлені основні схеми гідротехнічного комплексу робочих горизонтів шахт. Наведено при-
клад вибору схеми і гідротехнічного устаткування в умовах шахти «Вільхова - Західна».
THE ROLE OF HYDRAULIC STRUCTURES FOR EFFECTIVE
WORK COAL ENTERPRISES
Underground waterworks considered in terms of regulated hydraulic mode of operation of the
mine and safe mining operations. The basic schemes of hydraulic mining complex working levels
are presented. An example of selecting the scheme and hydraulic equipment in the mine "Vilkhova
- Zahidna" is presented.
Основным назначением подземных гидротехнических систем является
обеспечение регламентированного гидравлического режима объектов горных
технологий, в том числе геотехнических систем подземного строительства и
подземной разработки месторождений полезных ископаемых. Отметим, что
подземные гидротехнические системы представляют собой совокупность под-
|