Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Высшая математика»

К защите допустить

зав. кафедрой,

д-р физ.-мат. наук, профессор

__________________П.В. Виноградова

_________________ 2015 г.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕНОСА ПРИМЕСЕЙ ПРИ ЛЕСОПОЛЕВЫХ ПОЖАРАХ

Бакалаврская работа

ВКР 010400.62.942

Студент 942 гр. _____________________ Д.С. Пчелинцева

Руководитель

доцент, канд. физ.-мат. наук _____________________ П.Б. Суляндзига

Нормоконтроль _____________________ Е.П. Суляндзига

Хабаровск – 2015

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

(ДВГУПС)

__________________________________Кафедра _____________________

(наименование УСП) (название кафедры (ПЦК))

Направление (специальность) __________________________________________________

(код, наименование направления или специальности)

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой

«_____» _____ 20____г.

ЗАДАНИЕ

на выпускную квалификационную работу студента

Пчелинцева Дарья Сергеевна

(фамилия, имя, отчество)

1.Тема ВКР: ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕНОСА ПРИМЕСЕЙ ПРИ ЛЕСОПОЛЕВЫХ ПОЖАРАХ

утверждена приказом по университету от «04» июня 2015г. №525а

2. Срок сдачи студентом законченной ВКР «_____»__________ 2015

3. Исходные данные к работе

4.Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов): моделирование процесса распространения примесей возникающих при лесополевых пожарах в нижнем течении р. Амур; расчет траекторий перемещения частиц и количества выбрасываемых веществ при горении лесного покрова с помощью дифференциальных уравнений и численных методов.

5. Консультант по ВКР

6. Дата выдачи задания_________________________________________________________________

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

ОТЗЫВ

на выпускную квалификационную работу

Студента Пчелинцевой Дарьи Сергеевны

Группы 942 кафедры «Высшая математика»

Естественнонаучного института

Дальневосточного государственного университета путей сообщения

На тему «Численное моделирование переноса примесей при лесополевых пожарах».

ВКР содержит пояснительную записку на 70 страниц, 21 рисунок, 1 приложение.

Квалификационная работа написана на актуальную тему исследования процесса распространения примесей возникающих при лесополевых пожарах. Целью исследования ставилась задача расчета переноса примесей при пожарах в нижнем течении р. Амур. Исходные данные (значения полей метеорологических элементов) были взяты из расчетов современной модели прогноза погоды Weather Research and Forecasting за несколько дней июля 2014 г. Студент использовал аппарат дифференциальных уравнений и численных методов для расчета траекторий перемещения частиц, рассчитал количество выбрасываемых веществ при горении лесного покрова. В работе приведены рисунки, показывающие ареал распространения примесей от очага пожара, показаны траектории движения частиц. Сделаны выводы о корректности расчета.

В процессе работы над дипломным проектом студент Д.С. Пчелинцева показала хорошую подготовку, способности к изучению незнакомой предметной области, умение работать с научной литературой и творчески решать сложные задачи. Выполненная работа заслуживает оценки «отлично», а студент Д.С. Пчелинцева присвоения звания «бакалавр прикладной математики и информатики». Предлагаю продолжить работу в данном направлении и рекомендую к поступлению в магистратуру.

Руководитель ____________________ П.Б. Суляндзига

к.ф.-м.н., доцент каф. «Высшая математика»

ABSTRACT

This report is about expansion of air pollution by forest fire. Numerical simulation of smoke aerosol and some greenhouse gases speeding is described on report. Real weather forecasting was used in this study to define initial data for numerical model. Emission of carbon in forest fire is calculated. Method of back tracing is used to compute trajectories of air pollution element. Simulated results for the Low Amur River for ten days of July 2014 are shown in this report.

РЕФЕРАТ

Бакалаврская работа содержит 70 с., 21 рис., 1 табл., 25 источников, 1 прил.

ПЕРЕНОС ПРИМЕСИ, ЭМИССИЯ УГЛЕРОДА, ЛЕСОПОЛЕВЫЕ ПОЖАРЫ, ЗАГРЯЗНЯЮЩИЕ ВЕЩЕВСТВА, ДВИЖЕНИЕ ЧАСТИЦ, ОБРАТНЫЕ ТРАЕКТОРИИ

Объект исследования - распространение загрязняющих примесей при лесополевых пожарах в нижем течении р. Амур. Цель работы состоит в моделировании переноса примесей, выделяющихся при пожаре. Для достижения этой цели были использованы численные расчеты модели прогноза погоды за несколько дней июля 2014 г. В сетке этой модели был задано положение модельного пожара. На первом этапе был произведен расчет количества выделившихся соединений углерода при пожаре. С помощью метода обратных траекторий был численно смоделирован перенос примесей от очага пожара вместе с попутным ветром. В работе приведены рисунки показывающие ареал распространения загрязнений, вызванным пожаром находящимся около г. Хабаровска.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 7

1 Общая постановка задачи переноса в атмосфере 10

1.1 Уравнение переноса примесей 10

1.2 Численный расчет уравнения переноса примесей 13

2 Численная модель прогноза погоды Weather Research and Forecasting (WRF) 18

2.1 Исходные уравнения модели 18

2.2 Учет влажности 21

2.3 Система уравнений для возмущений 23

2.4 Начальные и граничные условия 26

2.5 Дискретизация по времени 26

2.6 Пространственная дискретизация 30

2.7 Ограничения на устойчивость 32

3 Моделирование переноса примеси при лесополевом пожаре 33

3.1 Общая информация о лесах 33

3.2 Лесные пожары: классификация, причины возникновения 35

3.3 Вещества, выделяющиеся во время пожара 39

3.4 Оценка эмиссии загрязняющих веществ 41

3.5 Вычисление распространения аэрозоля с помощью обратных траекторий 44

3.6 Моделирование переноса примеси на реальном примере 45

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 52

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 53

ПРИЛОЖЕНИЕ А 56

ВВЕДЕНИЕ

Одна из глобальных проблем стоящих перед человечеством - это сохранение среды обитания. С каждым годом экологическая обстановка на планете ухудшается. Прежде всего, это связано с деятельностью человека. Промышленные и теплоэнергетические предприятия, транспорт, сельское хозяйство – всё это наносит вред экологии Земли. Такие загрязнения называют искусственными или антропогенными. Также существуют естественные источники загрязнений: извержения вулканов, пыльные бури, разложение биологических веществ, лесные пожары [1]. Последний тип загрязнений можно отнести и к антропогенным, так как по вине человека происходит множество пожаров, особенно в теплый период года.

Под лесным пожаром обычно понимается явление неконтролируемого многостадийного горения территории покрытой лесами. Вне зависимости от происхождения, лесные пожары несут в себе огромную опасность. От них страдают огромные площади лесов (особенно в умеренных и тропических широтах), уничтожаются уникальные экосистемы. Лесной пожар представляет серьезную опасность для людей и животных, уничтожая сооружения, а в отдельных случаях, населенные пункты. Кроме того, пожары являются значительным источником загрязняющих веществ, которые переносятся на значительные расстояния от места возгорания.

Например, в Индонезии нередки случаи пожаров в джунглях, некоторые из них возникают естественным путем, но большая часть имеет антропогенное происхождение. Леса поджигаются специально в сельскохозяйственных целях, освобождая место под плантации. Из-за лесных пожаров страдают не только жители Индонезии, но и соседние страны – Малайзия и Сингапура, куда ветер приносит дым и продукты горения. Аналогичным образом поступают и в умеренном поясе, только здесь сжигают траву на сельскохозяйственных угодьях для удобрения почвы.

Пожары влияют на газовый состав атмосферы. Часть наземной биомассы, которая частично сгорает при пожарах составляет порядка 70-80%. Если считать, что при лесных пожарах в среднем сгорает 30% поверхностной биомассы, то с 1 км² лесной площади в тропических лесах выбрасывается 5000-6000 т углерода (в виде СО₂, СО и углеводородов), в лесах умеренного пояса – от 300 до 1200 т, при горении полей и степей – до 600 т.

Газовые составляющие атмосферы, такие как СО, СО₂, CH₄, называемые парниковыми газами, существенно влияют на процессы в атмосфере и экологическую обстановку. Они обусловливают изменение озонового слоя, вызывают парниковый эффект и образование кислотных дождей, а также наносят огромный ущерб здоровью людей.

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в 2012 г. порядка 7 миллионов человек умерли из-за загрязнения воздуха. В настоящее время загрязнение воздуха является самым крупным в мире экологическим риском для здоровья людей. Сокращение загрязнения воздуха может сохранить миллионы жизней по всему миру [2].

К сожалению, полностью исключить поступление загрязняющих веществ в атмосферу невозможно, но разумное использование природных ресурсов и постоянный контроль качества атмосферного воздуха позволят обеспечить безопасный уровень воздействия на атмосферу.

Большую помощь в этом может оказать применение методов математического моделирования и разработка моделей, позволяющих изучать перенос веществе и примесей в атмосфере.

За последние 50 лет выполнено огромное количество исследований и разработано много математических моделей лесных пожаров [3]. Все математические модели лесных пожаров можно разбить на 4 большие группы:

а) Модели прогноза скорости распространения пожара.

б) Модели прогноза контуров лесного пожара.

в) Модели прогноза характеристик течения, тепло- и массопереноса во фронте и зоне пожара.

г) Общие математические модели, в рамках которых могут быть предсказаны все характеристики (скорость распространения, контур лесного пожара, поля температур, концентраций компонентов и скоростей) во фронте и в зоне лесного пожара.

Основой этих моделей являются уравнения термогидродинамики атмосферы, уравнения переноса примесей, уравнения, отвечающие за взаимодействие воздушных масс и примесей с поверхностью Земли.

Все эти уравнения записываются в дифференциальном виде и представляют собой законы сохранения энергии, массы и количества движения и начала термодинамики. Следует отметить, что чаще всего проблема математического описания переноса примесей представляется двумя классами задач.

Первый – это решение «прямых» задач, когда по известным параметрам источников примеси (месторасположение источника, время выброса, мощность выброса) требуется найти значения концентраций субстанции.

Второй – решение «обратных» задач, когда известны значения концентрации примеси, измеренные в нескольких контрольных точках, требуется найти тип, координаты и мощность её источников [4].

Математическое описание «прямых» и «обратных» задач переноса примеси приводит к системам дифференциальных уравнений в частных производных. Но решение таких систем чаще всего невозможно получить в аналитическом виде, поэтому для решения таких задач используют численные методы.

В силу сложных процессов распространения примеси такие задачи являются громоздкими и требовательными к вычислительным ресурсам. Перспективным способом решения этих проблем является использование современных высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных систем, которые обеспечивают существенное ускорение расчетов и повышают качество численного прогноза.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов ВКР