Статті КГВФ (ДІІТ)

Permanent URI for this collection

http://crust.ust.edu.ua/handle/123456789/16429

ENG: Articles

Browse

Now showing 1 - 20 of 50

Quick computing CFD model to predict chemical pollution in room
(Український державний університет науки і технологій, Дніпро, 2025) Biliaiev, Mykola M.; Biliaieva, Viktoriia V.; Berlov, Oleksandr V.; Kozachyna, Vitalii A.; Mashykhina, Polina B.
ENG: Purpose. The problem of accidental contamination of workspaces attracts special attention, since in the event of such extreme situations, intense chemical contamination of the air in work areas occurs. This poses a threat of toxic exposure to workers. When assessing the consequences of such situations, it is necessary to take into account the time factor, in particular, to quickly determine the creation of concentrations of chemically hazardous substances. In this regard, an urgent task is to develop effective mathematical models for rapid assessment of the consequences of extreme situations in the working areas of chemically hazardous facilities. The paper considers a CFD model for analyzing the process of chemical air pollution in a workspace during an accidental release of a chemically hazardous substance. The solution of the problem is based on the numerical integration of the fundamental equations of continuum mechanics. Methodology. To calculate the air velocity field in the working room during the operation of supply and exhaust ventilation, a mathematical model of the motion of an inviscid fluid was used. The equation of convective diffusion motion was used to calculate the concentration of a chemically hazardous substance in the workspace. The integration of the modeling equations was carried out using finite difference schemes. Findings. A dynamic model has been created to calculate the spread of a chemically hazardous substance in a work-space. On the basis of the built CFD model, a computer program was created to conduct a computational experiment. Originality. A CFD model has been created to predict the level of air pollution in a workspace in the event of toxic gas emissions. The model is based on the fundamental equations of aerodynamic mechanics and mass transfer. The model makes it possible to determine the effect of the ventilation mode, the intensity of emission of a chemically hazardous substance, the location of equipment in the workspace, and the dynamics of the formation of concentration fields. Practical value. The developed CFD model can be used to quickly analyze the consequences of accidental emissions of a chemically hazardous substance in a workplace and assess the risk of toxic exposure of workers.
Analysis of Air Dust Pollution in the Transport Compartment of the Launch Vehicle at the Stage of the Pre-launch Preparation
(Printing House “Technologija”, Kaunas, Lithuania, 2024) Biliaiev, Mykola M.; Biliaieva, Viktoriia V.; Kozachyna, Vitalii A.; Kozachyna, Valeriia V.; Mashykhina, Polina B.; Semenenko, Pavlo
ENG: At the stage of the pre-launch preparation, it is necessary to fulfill very strict environment conditions inside the main fairing where the satellite is located. Namely, it is very important to predict dust concentration inside the main fairing and especially near satellite surface during forced ventilation. To predict air dust pollution inside of main fairing 2D fluid dynamics numerical model has been developed. The governing equations include equation of potential flow to simulate air flow inside the main fairing and equation of pollutant dispersion. Also, empirical model has been used to calculate the number of dust particles fall to the satellite surface. Implicit finite difference schemes of splitting have been used for numerical integration of governing equations. The computer code has been developed on the basis of proposed numerical model. The results of computational experiments to estimate dust concentration field inside the main fairing of the launch vehicle are presented.
CFD Modeling of Traffic-related Air Pollution in Street Canyon
(Printing House “Technologija”, Kaunas, Lithuania, 2024) Biliaiev, Mykola M.; Biliaieva, Viktoriia V.; Berlov, Oleksandr V.; Kozachyna, Vitalii A.; Kozachyna, Valeriia V.; Yakubovska, Zinaida M.
ENG: High pollution levels are often observed in urban street canyons. Different mathematical models are intensively used to predict pollution levels in urban street canyons. In this paper quick computing 3D CFD model is proposed to compute wind flow over buildings and pollutant dispersion in street canyon. To simulate wind flow over buildings 3D equation of potential flow has been used. Pollutant concentration field has been modelled using three-dimensional equation of pollutant dispersion. Governing equations are also included simplified equations to describe pollutants chemical transformations in atmosphere. To solve numerically governing equations implicit difference schemes have been used. The computer code to realize the proposed numerical models has been developed. Results of numerical experiments are presented.
Numerical Modeling of Groundwater Dynamics and Heat and Mass Transfer Processes
(Pridneprovs’ka State Akademy of Civil Engineering and Architecture, USUST, Dnipro, Ukraine, 2024) Biliaiev, Mykola M.; Kozachyna, Vitalii A.; Kirichenko, Pavlo S.; Kozachyna, Valeriia V.; Kaidash, M. D.
ENG: Problem statement. Groundwater is undergoing significant anthropogenic impact in many countries around the world. This impact results in changes in groundwater levels and deterioration of their quality. Protecting groundwater from anthropogenic impact involves solving several important tasks. A significant number of tasks are related to the need to predict the processes of filtration and heat and mass transfer in underground flows. In this regard, it is important to have specialized mathematical models as a modern scientific research tool. It should be noted that the use of physical experiments for problems of this class is significantly limited, due to the high cost of equipment, considerable time spent on setting up and conducting the experiment. The purpose of the article. Development of a set of numerical models for simulation of filtration and heat and mass transfer processes in groundwater. Methodology. To model the process of non-pressure flow of groundwater, the equation of non-pressure filtration is used. The two-dimensional equation of convective-diffusive movement of a pollutant is used to model the process of mass transfer of an impurity in groundwater. To model the process of heat transfer in groundwater, in the problem of groundwater freezing, a two-dimensional energy equation is used. For numerical integration of modeling equations, finite-difference schemes are used. Scientific novelty. Numerical models of filtration and heat and mass transfer processes have been developed that allow real-time analysis of changes in groundwater quality and thermal regime. Practical significance. The developed numerical models make it possible to quickly analyze non-stationary processes of heat and mass transfer in groundwater when developing drainage systems in flooded areas. Conclusions. Numerical models of filtration and heat and mass transfer in groundwater have been developed. For the practical use of the built models, standard hydrological information is required. The models make it possible to analyze the dynamics of ice formation in groundwater during the implementation of the technology of freezing groundwater flow.
Аналіз процесів масопереносу на базі чисельних моделей
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, УДУНТ, Дніпро, 2024) Біляєв, Микола Миколайович; Тимошенко, О. А.; Калашников, А. В.; Коваленко, А. С.; Чірков, А. О.
UKR: Постановка проблеми. Аеротенки та відстійники найбільш поширено використовуються в технологічних схемах очищення стічних вод. Важливою проблемою є розробка ефективних спеціалізованих математичних моделей для аналізу ефективності роботи цих споруд водовідведення. Мета роботи. Розробка чисельних моделей для розрахунку процесів масопереносу у біологічних реакторах та відстійниках систем водовідведення. Методика. Для опису процесів механічного та біологічного очищення стічних вод використовуються фундаментальні рівняння механіки суцільного середовища. Для моделювання процесу переносу активного мулу, кисню та субстрату в біологічному реакторі використовуються тривимірні рівняння масопереносу. Для опису руху забруднювача у відстійнику використовується 3D рівняння конвективно-дифузійного переносу вагомої консервативної домішки. Гідродинаміка в очисних спорудах описується просторовим рівнянням Лапласу для потенцала швидкості. Для чисельного інтегрування моделюючих рівнянь використовуються кінцево-різницеві схеми. Наукова новизна. В статті розглянуті чисельні моделі для визначення концентрації кисню, активного мулу, субстрату в біореакторі. Запропоновані чисельні моделі для аналізу ефективності процесу очищення стічних вод у відстійниках. Побудовані чисельні моделі визначення поля швидкості потоку стічних вод в біореакторах та відстійниках. Запропоновані математичні моделі можуть буди використані для оцінювання ефективності роботи споруд, що здійснюють механічне та біологічне очищення стічних вод. Практична значущість. Запропоновані чисельні моделі для визначення поля швидкості в аеротенках та відстійниках, а також чисельні моделі для рішення задач оцінювання ефективності очищення стічних вод в цих спорудах. Розроблені чисельні моделі дозволяють швидко, в режимі «on-line», вирішувати прикладні задачі. Висновки. Здійснена програмна реалізація розробленої чисельної моделі. Наведено результати обчислювального експерименту.
Моделювання поширення домішки в робочому приміщенні при складній схемі вентиляції
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, УДУНТ, Дніпро, 2024) Біляєв, Микола Миколайович; Біляєва, Вікторія Віталіївна; Берлов, Олександр Вікторович; Козачина, Віталій Анатолійович; Колесников, С. О.
UKR: Постановка проблеми. Розглядається розробка та практичне використання чисельної моделі для аналізу процесу забруднення повітря в робочому приміщенні при аварійному витоку токсичної речовини. Мета роботи. Створення чисельних моделей аеродинаміки та масопереносу нестаціонарного процесу розповсюдження токсичної речовини в робочому приміщенні. Методика. Моделювання розповсюдження токсичної речовини при роботі аварійної вентиляції здійснюється на базі рівняння Лапласа для потенціалу швидкості та рівняння масопереносу, що враховує конвективний та дифузійний перенос токсичної речовини. Чисельне інтегрування моделюючих рівнянь механіки суцільного середовища здійснюється за допомогою кінцево-різницевих схем з використанням метода маркування. Наукова новизна. Створена чисельна модель для прогнозування рівня забруднення повітря в робочому приміщенні внаслідок емісії токсичного газу. Модель базується на чисельному інтегруванні фундаментальних рівнянь механіки суцільного середовища. Особливістю чисельної моделі є врахування основних фізичних факторів, що впливають на розповсюдження токсичного газу в приміщенні (наявність обладнання в приміщенні, положення отворів вентиляції, міста емісії токсичної речовини тощо) та швидкість розрахунку. Практична значущість. Розроблена чисельна модель може бути використана для наукового обґрунтування параметрів аварійної вентиляції для робочих приміщень, де можлива емісії токсичних речовин. Висновки. Для аналізу та прогнозу процесу хімічного забруднення робочого приміщення розроблена динамічна багатофакторна чисельна модель. Особливістю чисельної моделі є можливість враховувати основні фізичні фактори, що впливають на формування областей забруднення в робочих приміщеннях. Розроблена чисельна модель може бути використана для наукового обґрунтування параметрів аварійної вентиляції для швидкого зниження концентрації токсичної (або вибухонебезпечної) речовини в робочому приміщенні.
Моделювання процесів фільтрації та тепломасопереносу в підземних водах
(Український державний університет науки і технологій, Дніпро, 2024) Біляєв, Микола Миколайович; Козачина, Віталій Анатолійович
Мета. Важливим інструментом розв’язання складних задач, які полягають в аналізі динаміки підземних вод і процесів тепломасопереносу в них під час дослідження їх забруднення від різних техногенних джерел у разі аварійних розливів хімічно небезпечних речовин тощо, є метод математичного моделювання. Основною метою статті є розробка комплексу математичних моделей для розрахунку процесу фільтрації безнапірних підземних вод, масопереносу домішки та процесу теплопереносу в підземних водах. Методика. Для прогнозування динаміки підземних вод використано двовимірне рівняння фільтрації у формі Буссінеска. Для моделювання процесів масопереносу в підземних водах використано двовимірне рівняння конвективно-дифузійного переносу домішки. Процес заморожування окремих ділянок підземного потоку змодельовано за допомогою рівняння Лапласа для потенціалу швидкості (розрахунок поля швидкості потоку в умовах геометрії, що змінюється з часом) та двовимірного рівняння теплопереносу в підземних водах. Для розв’язання моделювальних рівнянь динаміки підземних вод і тепломасопереносу використано скінченнорізницеві схеми. Результати. Побудовано комплекс математичних моделей для розрахунку процесу фільтрації безнапірних ґрунтових вод та їх хімічного забруднення. Проведений експеримент підтвердив адекватність побудованої чисельної моделі фільтрації безнапірного потоку підземних вод. Побудовано ефективну математичну модель, що дозволяє визначати температурні поля в підземних водах під час роботи свердловини, яку використовують для заморожування окремих ділянок потоку. Результати комп’ютерного моделювання свідчать про ефективність розроблених математичних моделей. Наукова новизна. Запропоновано ефективні математичні моделі для прогнозування рівня хімічного забруднення підземних вод, її динаміки та теплового режиму. Побудовані математичні моделі дають можливість визначати динаміку зміни температурного режиму підземних вод під час роботи свердловин, через які подають холодоагент для заморожування окремих ділянок. Розроблено комп’ютерну програму, що дозволяє здійснювати комплексне оцінювання стану підземних вод. Практична значимість. Розроблено комплекс комп’ютерних програм для проведення обчислювального експерименту з дослідження процесів фільтрації, хімічного забруднення підземних вод та процесів теплопереносу в них. Цей комплекс програм можна використати для наукового обґрунтування інженерних рішень, спрямованих на захист підземних вод.
Прогнозування наслідків надзвичайної ситуації на залізничній станції
(Український державний університет науки і технологій, Дніпро, 2024) Біляєва, Вікторія Віталіївна; Калашніков, І. В.; Берлов, Олександр Вікторович; Губін, Олександр Ігорович; Козачина, Віталій Анатолійович
UKR: Мета. Розглянуто задачу визначення розмірів зон ураження у випадку екстремальної ситуації на залізничній станції внаслідок пожежі цистерн. Задачею прогнозування є визначення зон теплового забруднення, а також хімічного та механічного забруднення. Основна мета роботи полягає у створенні чисельних моделей для розрахунку зон механічного та теплового забруднення довкілля в разі пожежі на залізничній станції. Методика. Для аналізу розмірів та інтенсивності зон теплового, хімічного, механічного забруднення довкілля у випадку виникнення екстремальної ситуації на залізничній станції використано рівняння тепломасопереносу та другий закон Ньютона для моделювання механічного забруднення довкілля. Для розв’язання рівнянь використано чисельні методи – метод Ейлера та скінченнорізницеві схеми. На базі розроблених чисельних моделей створено комп’ютерний код для проведення обчислювального експерименту. Результати. Розроблено сучасні комп’ютерні моделі оцінювання зон хімічного, теплового, механічного за-бруднення в разі виникнення екстремальної ситуації. Наведено результати комп’ютерного моделювання. Наукова новизна. Створено комплекс чисельних моделей для комп’ютерного моделювання процесів тепломасопереносу та динаміки руху точки, що дозволяє проводити обчислювальний експеримент із визначення зон забруднення під час пожежі на залізничній станції. Практична значимість. На базі створених математичних моделей розроблено комп’ютерний код. Цей код є інструментом розв’язання важливих задач у галузі екологічної безпеки та цивільного захисту. Комп’ютерний код дає можливість оперативно визначати інтенсивність та розміри зон забруднення довкілля у випадку виникнення екстремальної ситуації.
Quantum-Mechanical Methodology for Determining the Temperature Dependence of Contact Angle in Melt–Solid Metal Systems
(Oles Honchar Dnipro National University, Dnipro, 2024) Shtapenko, Eduard Ph.; Syrovatko, Yuliya V.; Voronkov, Eugene O. ; Mikhailova, Tetiana F.
ENG: Aim. In order to determine the composite materials’ manufacturing process parameters, it is necessary to evaluate the stability of their structural components and determine the contact angle of wetting of the filler with the molten binder at the infiltration temperature. The development of a theoretical method for determining the dependence of the contact angle of wetting on temperature in melt – solid metal systems makes it possible to reduce the volume of experimental studies. Methods. The paper presents a quantum mechanical methodology for calculating the binding energy of interacting substances, as well as an experimental study of the dependence of the contact angle on temperature for tin – steel systems. The methodology is based on the calculation of the binding energy between atoms of interacting substances using density functional theory. Results. The calculations show an anomalous behavior of contact angle values for the tin–steel system with increasing temperatures. It means that, when the temperature increases, the values of the contact angle initially become lower, and later, in the temperature range of 450-510 °C, an increase in the contact angle is observed. The obtained theoretical and experimental data correlate well with each other. Conclusions. The appearance of extreme regions in the experimental and theoretical temperature dependences is associated with the thermal expansion of interatomic distances in the crystal lattice. The obtained theoretical and experimental data correlate well with each other and base on the thermal expansion of interatomic distances in the crystal lattice.
Experimental Study of Dust Emission Intensity from the Surface of the Alluvium Beach
(IOP Publishing, 2024) Medvedieva, Olha; Biliaiev, Mykola M.; Kozachyna, Vitalii A.; Mormul, Taras; Buketov, Valentyn
ENG: The paper presents data on the current state of waste storage facilities of mining and processing plants in Kryvyi Rih. They are complex, environmentally hazardous hydraulic structures. When assessing the extent of dust pollution from tailing ponds, it is extremely important to know the intensity of dust emissions from the surface of the alluvium beach. This parameter is the basic one in all prognostic models used to predict environmental pollution. The paper presents the results of experimental studies to determine the wind speed at which the removal of dry dust particles from the surface of the beach of a tailing pond begins, as well as the intensity of dust removal from the surface of the beach for dry sand and wet sand. The experimental studies conducted in the laboratory allowed obtaining data on the intensity of dust emission from the surface of the tailing dump beach. The results obtained by the authors make it possible to more accurately assess the degree of environmental dustiness using predictive models. Тhe data on determining the intensity of dust formation for sand of different moisture content will be useful for determining the effectiveness of dust suppression by supplying water to the beach surface.
Numerical Modeling of the Wind Regime on the Beaches of the Wash of the Artificial Storage Facilities for Mineral Processing Waste
(IOP Publishing, 2024) Lapshyn, Yevhen; Biliaiev, Mykola M. ; Biliaieva, Viktoriia V. ; Halchenko, Zariana; Medianyk, Volodymyr; Buketov, Valentyn
ENG: A 2D numerical model has been developed to estimate the airflow velocity field when flowing around the dam of an artificial storage facility for mineral processing waste. To solve the aerodynamic problem of determining the air flow velocity field when flowing around such hydraulic structures with a complex geometric shape, a potential motion model was applied. The numerical integration of the equation for the velocity potential is carried out using the Liebman method. The geometric shape of the tailings storage facility is formed in a discrete model using the marking method. A computer program was created to implement the developed numerical aerodynamics model. Based on the processing of the results of computational experiments, coefficients were obtained that allow us to quickly determine the value of the air flow velocity at the beginning and end of the tailing pond beach, i.e. in the area of the most intense dust emission. This allows for a quick prediction of the risk of dust air pollution at different tailing pile heights.
Modeling the Distribution of Emergency Release Products at a Nuclear Power Plant Unit
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Biliaieva, Viktoriia V.; Levchenko, Larysa; Myshchenko, Iryna; Tykhenko, Oksana; Kozachyna, Vitalii A.
ENG: Despite the fact that much attention is paid to the safe operation of nuclear power plants, there is a possibility of an accident with the release of radionuclides. This is especially true in Ukraine, where there is a threat of the damage to nuclear reactors as a result of military operations. It is impossible to research the distribution of products emergency releases radioactive substances in laboratory conditions. Therefore, the only tool for the development predicting of an accident is the modeling the spread of a radionuclides cloud. The purpose of the research is a modeling the distribution of emergency release products in a nuclear power plant unit, suitable for the operative assessment of a development an accident. Results of the research: The mathematical model of the distribution emission products of a nuclear power plant has been developed, which takes into account the value of the initial activity of emission products, the rate of the settling radioactive particles, the wind speed components, the intensity changes radionuclide emission over time. The technique for solving the boundary value problem of modeling in conditions of a complex shape of the computational domain, taking into account the presence of obstacles to the spread of emission products has been developed. The use of the velocity potential equation in evolutionary form allows us to speed up the calculation process. The chosen splitting scheme of an alternating-triangular method allows to find the speed potential according to the explicit form at each splitting step. This allowed software implementation of the CFD model. The visualized models of the emission cloud distribution allow to determine the radiation situation in any place of the emission product distribution zone. The developed model makes it possible to quickly predict the development of an accident in space and time, which makes it possible to take measures to protect people from exposure in the shortest possible time. Conclusions: The obtained emission cloud propagation models and their visualization make it possible to determine the state of environmental pollution under various initial conditions during the development of the accident.
Modeling Ground Waters Dynamics and Pollution
(Prydniprovs'ka State Academy of Civil Engineering and Architecture, Dnipro, Ukraine, 2024) Biliaiev, Mykola M.; Kozachyna, Valeriia V.
ENG: Problem statement. Large accumulators of liquid waste (e.g., mine water ponds, tailing ponds, etc.) are long-term sources that change the hydrological regime. A negative consequence of this process is flooding of the territory. In addition, the infiltration of contaminated water from such hazardous sources changes the quality of groundwater. Therefore, it is important to analyze the impact of such anthropogenic sources on the process of flooding and deterioration of groundwater quality. To solve this problem, it is very important to use the method of mathematical modeling as an effective mean of researching problems of this class, since the use of physical modeling is practically impossible within the scope of problems of this class. The purpose of the article. Development of numerical models for predicting changes in the hydrological regime (flooding of the territory) and groundwater quality under the influence of anthropogenic pollution sources. Methodology. To assess the dynamics of changes in the hydrological regime, a two-dimensional equation of filtration of a non-pressure groundwater flow is used. A two-dimensional geomigration equation (planned model) is used to analyze changes in groundwater quality during infiltration of contaminated water from the settling pond. This equation takes into account the convective transfer of contaminants in the filtration flow, dispersion, and the intensity of contaminant infiltration into the groundwater flow. The method of total approximation is used for numerical integration of the filtration equation. For the numerical integration of the geomigration equation, an implicit splitting scheme is used. Scientific novelty. Effective numerical models for rapid assessment of changes in groundwater dynamics and quality under the influence of anthropogenic sources that change the hydrological regime are proposed. The constructed numerical models take into account a set of important physical factors that affect the process of geomigration and flooding of the territory, namely: filtration coefficient, variable depth of free-flowing groundwater, dispersion, intensity of the source of impurity emission into the groundwater flow. This makes it possible to obtain a comprehensive assessment of the process of flooding and groundwater pollution.. Practical significance. A computer code has been created that allows practical usage of the developed numerical models. This code is an effective tool for theoretical study of non-stationary processes of territory flooding and anthropogenic groundwater pollution. Conclusions. A numerical model for calculating groundwater dynamics has been developed. The model allows to predict the level of groundwater rise under the influence of a man-made source of wastewater infiltration from a settling pond. A numerical model for calculating the process of geomigration from an anthropogenic source of emissions has been developed. The model makes it possible to predict the dynamics of contamination zone formation in a non-pressure groundwater flow. The developed numerical models take into account the most important parameters that affect the formation of flooding zones and groundwater contamination.
Математична модель аналізу кисневого режиму в біореакторі
(Український державний університет науки і технологій, Дніпро, 2024) Біляєв, Микола Миколайович; Машихіна, Поліна Борисівна; Побєдьонний, Руслан Павлович; Чірков, Антон Олексійович; Чирва, Максим Віталійович
UKR: Мета. Сьогодні аеротенки широко використовують для очищення стічних вод підприємств та комунальних стоків. Оцінювання ефективності очищення води в аеротенках за різних режимів експлуатації є важливою задачею. Для розв’язання такої задачі потрібно мати математичні моделі, що дозволяють оперативне отримати дані щодо ефекту очищення в аеротенках. Основною метою роботи є розробка чисельної box-моделі для визначення ефективності очищення стічних вод в аеротенку. Методика. Для математичного моделювання процесу біологічного очищення стічних вод у біореакторі використовують нульвимірні рівняння матеріального балансу, що записані відносно концентрації субстрату, активного мулу та розчиненого кисню в стічних водах. Для розрахунку процесу окислення субстрату використано модель Monod. Для інтегрування моделювальних рівнянь використовують метод Ейлера. Розглянуто спрощену модель біологічного очищення води в біореакторі, що дає можливість отримати аналітичне розв’язання задачі. Отриманий аналітичний вираз дає можливість швидко визначити зміну концентрації розчиненого кисню в стічних водах залежно від зміни концентрації активного мулу в біореакторі. Побудована чисельна модель дає можливість визначати динаміку зміни концентрації забруднень, активного мулу та кисню в стічних водах за час перебування їх у біореакторі. Результати. Запропоновано інструмент теоретичної оцінки ефективності біологічного очищення стічних вод в аеротенку. Побудовано чисельну модель, що дає можливість визначити концентрацію розчиненого кисню, субстрату та активного мулу на виході з аеротенка. Наукова новизна. Розроблено ефективну чисельна модель, що дозволяє швидко розраховувати динаміку очищення стічних вод у біореакторі та на базі цієї інформації оцінювати ефективність роботи реактора. Практична значимість. Побудована математична модель може бути корисна під час реконструкції споруд біологічного очищення стічних вод, а також на етапі проєктування біореакторів для врахування їх роботи за різних умов експлуатації. Розроблено комп’ютерну програму, що реалізує побудовану чисельну модель. Наведено результати комп’ютерного експерименту.
Моделювання масопереносу у спорудах водовідведення
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, 2024) Біляєв, Микола Миколайович; Коваленко, Антоній Станіславович; Побєдьонний, Руслан Павлович; Чирва, М. В.
UKR: Постановка проблеми. Проектування систем очищення стічних вод – складний процес, що потребує використання спеціальних математичних моделей. Як правило, на етапі проектування споруд систем водовідведення використовуються емпіричні моделі, що дозволяють отримати лише «інтегральну» характеристику ефективності очищення стічних вод. Але в низці випадків важливо мати інформацію щодо просторового розподілу концентрації домішки в споруді. Для розв’язання даної задачі потрібно мати тривимірні математичні моделі. Наразі існує дефіцит таких моделей, тому створення тривимірних багатофакторних моделей для аналізу ефективності споруд систем водовідведення бачиться актуальним. Мета роботи – розроблення тривимірної чисельної моделі для аналізу процесу масопереносу для визначення концентрації домішки у відстійнику. Методика. Аналіз концентраційних полів домішки у відстійнику здійснюється шляхом чисельного інтегрування тривимірного рівняння для потенціалу швидкості та тривимірного рівняння конвективно-дифузійного переносу домішки. Для чисельного інтегрування рівняння Лапласа для потенціалу швидкості застосовується змінно-трикутний метод та метод Лібмана. Для чисельного інтегрування тривимірного рівняння конвективно-дифузійного переносу домішки використовуються скінченорізницеві схеми розщеплення. Наукова новизна. Створено динамічну багатофакторну чисельна модель для аналізу процесу масопереносу домішки у відстійнику шляхом обчислювального експерименту. Практична значущість. Побудована багатофакторна чисельна модель дає можливість аналізувати ефективність очищення стічних вод у відстійниках, що мають складну геометричну форму та не можуть бути розраховані на базі існуючих інженерних методик. Висновки. На базі розробленої тривимірної чисельної моделі створено комп’ютерний код, що дозволяє оперативно отримати інформацію про розподіл концентрації домішки у відстійнику.
Зниження ризику ураження у випадку метальної дії уламків
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, 2024) Біляєв, Микола Миколайович; Калашніков, Іван Володимирович; Берлов, Олександр Вікторович; Козачина, Віталій Анатолійович; Тимошенко, О. А.
UKR: Постановка проблеми. Розглядається задача оцінювання ризику ураження нафтосховища уламками у разі вибуху дрона. Здійснюється аналіз величини швидкості руху уламка та ефективності використання захисної перешкоди для зупинення руху уламка в напрямі нафтосховища. Мета роботи – оцінення ризику ураження стінки нафтосховища та ефективності використання захисної перешкоди від метальної дії уламків від вибуху дрона. Методика. Для аналізу ризику ураження нафтосховища при розльоті уламків дрона використовується чисельна модель, що базується на інтегруванні рівняння руху матеріальної точки та емпіричної моделі, що дозволяє визначити швидкість уламка після проходження тіла захисної перешкоди. Побудована чисельна модель враховує початкову швидкість уламка, розмір уламка, напрям руху уламка, висоту викиду уламка. На базі даної чисельної моделі створено комп’ютерний код для проведення обчислювального експерименту. Наукова новизна. Розроблено ефективну математичну модель для аналізу ризику ураження нафтосховища від метальної дії уламків, що утворюються від вибуху дрона. Модель дозволяє визначити ефективність використання перешкоди для захисту нафтосховища від метальної дії уламків. Практична значущість. Розроблено комп’ютерний код для розрахунку динаміки руху уламків у повітрі, що утворюються від вибуху дрона. Використання цього коду дозволяє підібрати раціональні розміри захисної перешкоди на промисловому майданчику для захисту нафтосховища від ураження. Висновки. Розроблено ефективний інструмент аналізу ризику ураження нафтосховища від метальної дії уламків, що утворюються від вибуху дрона. Наведено результати обчислювальних експериментів.
Математичне моделювання в проблемах очистки води
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, 2022) Біляєв, Микола Миколайович; Машихіна, Поліна Борисівна; Козачина, Віталій Анатолійович; Цуркан, Валерія Вячеславівна
UKR: Постановка проблеми. Аналіз ефективності роботи очисних споруд у системах водовідведення на етапі їх проєктування має велике значення. Також на етапі реконструкції споруд або налаштування їх роботи в умовах іншого навантаження потрібно знати ефективність очистки води на різних ділянках очисних споруд. Така інформація дає можливість раціонально експлуатувати споруди. Для розв’язання задач даного класу найбільш ефективний інструмент – це метод чисельного моделювання. В роботі розглянуто побудову комплексу чисельних моделей для розв’язання задач даного класу. Методологія. Для розв’язання задачі гідродинаміки – визначення поля швидкості потоку стічних вод в очисній споруді – використовуються дві фундаментальні моделі. Перша – модель безвихрового руху нестисливої рідини. Друга модель – рівняння Нав’є–Стокса, що записані у змінних Гельмгольца. Для визначення полів концентрації домішки в очисних спорудах використовується рівняння масопереносу, що враховує швидкість течії, дифузію, наявність джерел емісії домішки. Для розрахунку процесу біологічного очищення стічних вод використовуються рівняння матеріального балансу для субстрату та активного мулу. Для побудови чисельних моделей, що дозволяють розрахувати гідродинаміку потоку та розподіл концентрації домішки в споруді, використовуються скінченорізницеві схеми. Для чисельного розв’язання рівнянь матеріального балансу застосовується метод Ейлера. Результати. Побудовано чисельні моделі, що були використані для розробки комплексу комп’ютерних програм. Ці комп’ютерні програми дозволяють у режимі реального часу аналізувати ефективність очистки води у споруді. Новизна. Розроблено чисельні моделі, що дозволяють досліджувати процес очистки води в спорудах типу «відстійник» та в аеротенках, тобто для значного класу очисних споруд, що використовуються на практиці. Практична цінність. Час розрахунку поля швидкості та концентраційного поля домішки в очисній споруді, що має складну геометричну форму, складає декілька секунд. Це дозволяє використовувати розроблені чисельні моделі для серійних розрахунків у проектних організаціях у щоденній роботі.
Моделювання роботи водяної завіси для захисту працівників від термічного ураження
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, Україна, 2021) Біляєв, Микола Миколайович; Берлов, Олександр Вікторович; Біляєва, Вікторія Віталіївна; Вергун, Оксана Олександрівна
UKR: Постановка проблеми. Розглядається оцінювання ефективності використання водяної завіси для зменшення ризику термічного ураження людей під час пожежі. Ставиться задача визначення температурних полів під час подачі води для охолодження повітря. Мета роботи − розроблення числової моделі для розрахунку процесу розповсюдження крапель води в повітрі, їх випарювання для зменшення температури нагрітого повітря внаслідок пожежі. Методика. Для математичного моделювання процесу поширення крапель води в повітрі, теплового забруднення повітря застосовуються конвективно-дифузійне рівняння масопереносу, рівняння енергії та рівняння, що описує рух ідеальної рідини (модель потенціальної течії). Модель потенціальної течії дозволяє швидко визначити поле швидкості повітряного потоку в областях, що мають складну геометричну форму. Для числового інтегрування рівняння конвективно-дифузійного масопереносу та рівняння енергії застосовуються неявні різницеві схеми розщеплення. Для побудови різницевого аналога моделювальних рівнянь використовується фізичне розщеплення базових рівнянь. Для розв'язання задачі аеродинаміки − визначення поля потенціалу швидкості та компонент вектора швидкості повітряного потоку застосовуються метод Річардсона та схема умовної апроксимації. Розроблено інженерну методику розрахунку процесу випарювання краплі води, що базується на законі Срезневського. Наукова новизна. Розроблено ефективну числову модель, що дозволяє методом обчислювального експерименту визначати ефективність використання водяної завіси для зменшення рівня теплового забруднення атмосферного повітря внаслідок пожежі. Числова модель базується на інтегруванні фундаментальних рівнянь аеродинаміки, тепломасопереносу. Модель враховує найбільш суттєві фізичні фактори, що впливають на процес, який досліджується: рух нагрітого повітря, рух крапель води в повітрі, випарювання краплі тощо. Практична значимість. На базі побудованої моделі створено комп’ютерний код, що дозволяє швидко визначати температурні поля в повітрі з використанням водяної завіси. Числова модель буде корисна для проведення обчислювальних експериментів з метою науково обгрунованого вибору місця розташування водяної завіси під час пожежі. Висновки. Створено комп’ютерну програму (код), що дозволяє методом обчислювального експерименту досліджувати ефективність використання водяної завіси під час пожежі. Розроблена комп’ютерна програма може бути реалізована на комп’ютерах малої та середньої потужності. Наведені результати обчислювального експерименту.
Технологія очищення стічних вод в умовах космосу
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, Україна, 2021) Долина, Леонід Федорович; Нагорна, О. К.; Ждан, Юлія Олександрівна; Долина, Д. А.
UKR: Постановка проблеми. Система життєзабезпечення Міжнародної космічної станції обов’язково включає забезпечення екіпажу водою питної якості та очищення і знешкодження стічних вод. Вартість доставки води до МКС дуже висока, тому необхідно вдосконалювати технологічні схеми очищення стічних вод в умовах космосу з метою повторного використання води в повному замкненому циклі. Методи. Дослідження виконані на підставі аналізу українських і зарубіжних наукових джерел і звітних даних про специфіку використання води на космічних станціях і способах очищення стічних вод. Для розроблення технології очищення стічних вод в умовах космосу, окрім світового досвіду, використані власні дослідження. Наукова новизна. Автори статті провели аналіз роботи існуючих споруд з очищення стічних вод в умовах космосу і подали рекомендації до їх використання на МКС. Розроблена технологія для очищення стічних і питних вод в умовах невагомості (космосу) ґрунтується на використанні реакторів. Реактори можуть бути виконані з різних матеріалів (метал, пластик та ін.), вони не містять нестандартного устаткування, яке вимагає заводського виготовлення. Компактність, повна герметичність і невеликі габарити біо- і фізико-хімічних реакторів дозволяють установлювати їх у межах МКС. Процес очищення простий в керуванні і може бути повністю автоматизований. Практична значимість. Водні проблеми – головні у всьому світі, у тому числі і в умовах космосу. На МКС має бути передбачена система обробки стічних вод та їх замкнутого використання, оскільки постачання станцій новою водою значно збільшує вартість освоєння космічного простору. Якісна вода − це здоров’я і благополучна робота людей в умовах космосу. Оскільки в космосі відсутня гравітація, для відділення зважених речовин від води треба використовувати відцентрові сили (центрифуги). Висновки. Комплексний розгляд питань, що пов’язані з очищенням стічних вод в умовах космосу, дозволяє зробити висновок про необхідність регенерації води на Міжнародних космічних станціях (МКС).
Комп’ютерне 3D моделювання процесу очищення стічних вод у відстійнику
(Український державний університет науки і технологій, Дніпро, 2023) Біляєв, Микола Миколайович; Бразалук, Юлія Володимирівна; Кіріченко, П. С.; Машихіна, Поліна Борисівна; Коваленко, Антоній Станіславович
UKR: Мета. Відстійники широко використовують у технологічних схемах очищення стічних вод. Як правило, на практиці використовують відстійники, що мають горизонтальну форму. Але для підвищення ефективності очищення води в горизонтальному відстійнику можуть бути використані додаткові елементи, які розташовують у споруді в різних місцях. Під час реконструкції таких споруд або проєктування їх для нових підприємств потрібне оцінювання ефективності роботи відстійників за різних умов експлуатації. Для розв’язання цієї задачі важливу роль відіграють математичні моделі, зокрема проведення фізичних експериментів, що потребує значного часу на отримання результатів. У випадку математичного моделювання процесу очищення води у відстійнику потрібно розв’язати дві задачі: гідродинамічну задачу та задачу масопереносу. Основною метою статті є розробка 3DCFD-моделі для розрахунку поля концентрації домішки у відстійнику. Методика. Для комп’ютерного розрахунку процесу очищення стічних вод у відстійнику розраховано динамічну багатофакторну чисельну модель. Гідродинаміку потоку стічних вод у відстійнику розраховано на базі тривимірного рівняння для потенціалу швидкості (модель потенціального руху). Розрахунок поля концентрації домішки у відстійнику визначено шляхом чисельного інтегрування тривимірного рівняння масопереносу. Це рівняння враховує нерівномірність поля швидкості потоку у відстійнику, процес дифузії, гравітаційне осадження домішки у споруді. Чисельне інтегрування модельованих рівнянь здійснено шляхом використання скінченнорізницевих схем розщеплення. Результати. Здійснено програмну реалізацію побудованої математичної моделі. Наведено результати обчислювального експерименту з дослідження процесу очищення стічних вод у відстійнику з візуалізацією результатів розрахунків. Наукова новизна. Розроблено багатофакторну тривимірну CFD-модель, що дозволяє швидко оцінити ефективність роботи відстійника. Практична значимість. Запропонована CFD-модель може бути використана під час проведення розрахунків у випадку проєктування систем очищення стічних вод або для визначення ефективності очищення стічних вод за нових режимів експлуатації.

Browse

Recent Submissions