Численное моделирование распространения загрязняющих веществ в городской среде

   Актуальность. Неблагоприятная экологическая обстановка в промышленных регионах требует развития прикладных методов оценки воздействия промышленных выбросов на окружающую среду.

   Цель. Разработка методики численного моделирования распространения загрязняющих веществ в городской застройке.

   Методы. Численное моделирование проводилось в ПК ANSYS Fluent в стационарной постановке с использованием модели переноса химических веществ Species Transport, реализующей смешивание и перенос химических веществ за счет решения уравнений переноса концентрации вещества по гипотезе градиентной диффузии. Валидация модели проводилась на классической задаче о перемешивании веществ в трубе в двумерной и трехмерной постановках.

   Результаты. Разработана методика численного моделирования распространения загрязняющих веществ в городской среде. Методика апробирована на задаче исследования рассеивания выбросов диоксида азота (NO₂) и диоксида серы (SO₂) из труб цементного завода для пяти направлений ветра. Продемонстрированы практические возможности разработанной методики, включающие: визуализацию характера рассеивания загрязняющих веществ от места их выброса, оценку уровня концентрации каждого вещества в выбранной области и выявление областей превышения предельно допустимых концентраций (ПДК). В данной постановке характер рассеивания веществ представлял собой полосы, расширяющиеся по мере удаления от источников выбросов. При заданных массовых долях и объемах выбросов превышения ПДК для NO₂ и SO₂ составили 7,9 и 8,9 раза соответственно.

   Выводы. Разработанная численная методика в среде ANSYS Fluent показала свою эффективность и информативность при анализе экологической обстановки в городской застройке. Для повышения достоверности результатов необходимы точные, официально подтвержденные данные о качественном и количественном составе выбросов промышленного предприятия, а также учет большего числа факторов, влияющих на концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе.

1. Сысоева, Е.В., Гельманова, М.О. Методы расчета рассеивания загрязняющих веществ в городской атмосфере // Вестник МГСУ. 2022. № 8. С. 1027–1045. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.8.1027-1045. EDN: DZWYQY

2. Равшанов, Н., Журабоева, О., Боборахимов, Б., Шарипов, Х. Моделирование распространения загрязняющих веществ в атмосфере с учетом рельефа и метеорологических условий // Проблемы вычислительной и прикладной математики. 2025. № 4 (68). С. 38–46. doi: 10.71310/pcam.4_68.2025.01

3. Белостоцкий, А.М., Акимов, П.А., Афанасьева, И.Н. Вычислительная аэродинамика в задачах строительства. Москва : Изд-во АСВ, 2017. 720 с.

4. Keshavarzian, E, Jin, R., Dong, K., Kwok, K.C.S., Zhang, Y., Zhao, M. Effect of pollutant source location on air pollutant dispersion around a high-rise building // Applied Mathematical Modelling. 2020. № 81. P. 582–602. DOI: 10.1016/j.apm.2020.01.019. EDN: GSMKWI

5. Liu, X.P., Niu, J.L., Kwok, K.C.S., Wang, J.H., Li, B.Z. Investigation of indoor air pollutant dispersion and cross-contamination around a typical high-rise residential building: Wind tunnel tests // Building and environment. 2010. № 45 (8). С. 1769–1778. DOI: 10.1016/j.buildenv.2010.02.003

6. Амосов, П.В., Бакланов, А.А., Макаров, Д.В., Маслобоев, В.А. Численное моделирование загрязнения атмосферы в подходах случайного выбора дискретных участков пыления и поинтервального распределения размера пыли // Вестник МГТУ. 2022. № 25. С. 61–73. DOI: 10.21443/1560-9278-2022-25-1-61-73. EDN: YBIHJK

7. Zade, S., Zade, P. Dispersion modelling to assess ambient air quality impact due to carbon industry // International journal of innovative research in technology. 2025. № 12(3). P. 3774–3783.

8. Князев, Д.К. Проблема загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов Волгоградской области выбросами предприятий строительной отрасли // Вестник МГСУ. 2017. № 2 (101). С. 193–200. DOI: 10.22227/1997-0935.2017.2.193-200. EDN: YGJDYX

9. Володина, Д.А., Таловская, А.В., Язиков, Е.Г., Девятова, А.Ю., Еделев, А.В. Оценка пылеаэрозольного загрязнения в зоне влияния цементного завода на основе изучения снегового покрова (Новосибирская область) // Известия Томского политехнического университета. 2022. № 333 (10). С. 69–85. DOI: 10.18799/24131830/2022/10/3704. EDN: FVOHDL

10. Володина, Д.А. Цементный завод как источник пылеаэрозольного загрязнения атмосферы // Творчество юных – Шаг в успешное будущее : материалы VIII Всероссийской научной студенческой конференции с элементами научной школы имени профессора М.К. Коровина, Томск, 23–27 ноября 2015 г. Томск : Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ), 2015. С. 135–137.

11. Schefer, R.W., Dibbl, R.W. Simultaneous measurements of velocity and density in a turbulent non-premixed flame // AIAA Journal. 1985. № 23 (7). С. 1070–1078. doi: 10.2514/3.9039

12. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям «ИТС 6-2024 Производство цемента». Москва : Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт), 2024. 298 с.

13. Завод в цифрах // Себряковцемент. URL: https://sebcement.ru/proizvodstvo/zavod-v-cifrakh/ (дата обращения: 15. 04. 2024).