Математичне моделювання забруднення повітря біля автодоріг та оцінювання ризику захворювань у людей, які перебувають у зоні впливу викидів від автомобілів
Loading...
Date
2025
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Український державний університет науки і технологій, Дніпро
Abstract
UKR: Мета. Робота спрямована на розробку чисельної 2D-моделі, яка дозволяє швидко розрахувати всмоктування забрудненого повітря біля дороги. Швидка розрахункова модель CFD, має враховувати метеорологічні параметри, всмоктувальну трубу біля дороги для видалення забрудненого повітря, швидкість викиду токсичних газів. Методика. Розроблена модель базується на рівнянні потенційного потоку та рівнянні масопереносу забруднювача. Рівняння потенційного потоку використовують для обчислення вітрового потоку біля дороги у разі застосування всмоктувальної труби. Для розв’язання рівняння потенційної течії використано метод чисельного інтегрування Лібмана. Для розв’язання рівняння конвективно-дифузійної дисперсії використано неявну змінно-трикутну різницеву схему. Чисельне інтегрування здійснено за допомогою прямокутної різницевої сітки. Для створення форми комплексної розрахункової зони використано метод пористості («метод маркерів»). Викиди токсичних газів від автомобіля змодельована за допомогою дельта-функції Дірака для точкового джерела. Результати. Розроблена чисельна 2D-модель враховує основні фізичні фактори, що впливають на процес розсіювання забруднювальних речовин біля дороги. Модель враховує вплив автомобіля та всмоктувальної труби, розташованої біля дороги для видалення забрудненого повітря. На основі розроблених чисельних моделей проведено обчислювальний експеримент для оцінки впливу застосування всмоктувальної труби на локальне забруднення атмосферного повітря біля дороги. Наукова новизна. Розроблена чисельна модель дозволяє розрахувати двовимірну схему потоку біля дороги, де використано такий захід пом’якшення, як всмоктувальна труба. Модель дозволяє виконувати швидкі розрахунки забруднення повітря з урахуванням впливу захисного бар’єру. На базі даних про розподіл концентрації небезпечної речовини визначено ризик появи захворювань у людини, яка перебуває в зоні впливу викидів від автотранспорту. Практична значимість. Здійснено програмну реалізацію розробленої чисельної моделі, проведено обчислювальний експеримент, що проілюстрував ефективність використання моделі для вирішення прикладних задач. Наведено результати чисельного експерименту.
ENG: Purpose. The work is aimed at developing a numerical 2D model that allows for the rapid calculation of the absorption of polluted air near the road. A fast CFD model should take into account meteorological parameters, a suction pipe near the road to remove polluted air, and the rate of toxic gas emissions. Methodology. The developed model is based on the potential flow equation and the pollutant mass transfer equation. The potential flux equation is used to calculate the wind flow near the road in the case of a suction pipe. The Liebman numerical integration method was used to solve the potential flow equation. To solve the convective-diffusive dispersion equation, an implicit variable-triangular difference scheme was used. The numerical integration is carried out using a rectangular difference grid. The porosity method (“marker method”) was used to create the shape of the complex computational zone. Toxic gas emissions from a car were modeled using the Dirac delta function for a point source. Findings. The developed numerical 2D model takes into account the main physical factors that affect the process of dispersion of pollutants near the road. The model takes into account the influence of a car and a suction pipe located near the road to remove polluted air. On the basis of the developed numerical models, a computational experiment was conducted to assess the impact of the use of a suction pipe on local air pollution near the road. Originality. The developed numerical model allows to calculate a two-dimensional flow pattern near the road, where such a mitigation measure as a suction pipe is used. The model allows for quick calculations of air pollution, taking into account the impact of the protective barrier. Based on the data on the distribution of the concentration of a non-hazardous substance, the risk of disease in a person exposed to vehicle emissions was determined. Practical value. The software implementation of the developed numerical model was carried out, and a computational experiment was conducted to illustrate the effectiveness of using the model to solve applied problems. The results of the numerical experiment are presented.
ENG: Purpose. The work is aimed at developing a numerical 2D model that allows for the rapid calculation of the absorption of polluted air near the road. A fast CFD model should take into account meteorological parameters, a suction pipe near the road to remove polluted air, and the rate of toxic gas emissions. Methodology. The developed model is based on the potential flow equation and the pollutant mass transfer equation. The potential flux equation is used to calculate the wind flow near the road in the case of a suction pipe. The Liebman numerical integration method was used to solve the potential flow equation. To solve the convective-diffusive dispersion equation, an implicit variable-triangular difference scheme was used. The numerical integration is carried out using a rectangular difference grid. The porosity method (“marker method”) was used to create the shape of the complex computational zone. Toxic gas emissions from a car were modeled using the Dirac delta function for a point source. Findings. The developed numerical 2D model takes into account the main physical factors that affect the process of dispersion of pollutants near the road. The model takes into account the influence of a car and a suction pipe located near the road to remove polluted air. On the basis of the developed numerical models, a computational experiment was conducted to assess the impact of the use of a suction pipe on local air pollution near the road. Originality. The developed numerical model allows to calculate a two-dimensional flow pattern near the road, where such a mitigation measure as a suction pipe is used. The model allows for quick calculations of air pollution, taking into account the impact of the protective barrier. Based on the data on the distribution of the concentration of a non-hazardous substance, the risk of disease in a person exposed to vehicle emissions was determined. Practical value. The software implementation of the developed numerical model was carried out, and a computational experiment was conducted to illustrate the effectiveness of using the model to solve applied problems. The results of the numerical experiment are presented.
Description
В. Кузнецов: ORCID 0000-0003-2253-8103; М. Біляєв: ORCID 0000-0002-1531-7882; В. Біляєва: ORCID 0000-0003-2399-3124; О. Берлов: ORCID 0000-0002-7442-0548; О. Звонарьова: ORCID 0009-0001-9545-6996; П. Машихіна: ORCID: 0000-0003-3057-9204
Keywords
всмоктувальна труба, чисельне моделювання, дисперсія забруднення, міська вулиця, забруднення повітря, suction pipe, numerical modeling, pollution dispersion, city street, air pollution, КВМ (ДІІТ), КЕСЕ (ДМетІ)
Citation
Кузнецов В. М., Біляєва В. В., Берлов О. В., Звонарьова О. В., Машихіна П. Б. Математичне моделювання забруднення повітря біля автодоріг та оцінювання ризику захворювань у людей, які перебувають у зоні впливу викидів від автомобілів. Наука та прогрес транспорту. 2025. № 1. С. 32–39. DOI: 10.15802/stp2025/325345.