12 - 2000

Моделирование экологических проблем речных водоемов с использованием пакета STAR-CD

Игорь Липатов

Как известно, научно-технический прогресс оказывает большое влияние на все без исключения экологические системы. Стремление наиболее полно удовлетворить постоянно возрастающие потребности человека неизбежно ведет к ухудшению состояния среды его обитания. Особую опасность представляет ухудшение экологического состояния крупных рек. Поскольку реки являются источником питьевой воды и местом сброса промышленных отходов, состояние их экологических систем определяет устойчивость жизнедеятельности прилегающих территорий.

Наиболее распространенным подходом к изучению экологической системы является рассмотрение ее как стохастического процесса. Для этого собирается эмпирический материал о функционировании системы и на его базе строится прогноз на будущее. Однако среднестатистический характер такого прогноза не позволяет судить о процессах в локальных зонах. К тому же он не дает ответа на вопрос о воздействии на экологическую систему форс-мажорной техногенной нагрузки (например, выброс грязных, химически активных вод с судна, стоящего в затоне).

Одним из достаточно полных методов анализа факторов, влияющих на состояние экологической системы, является их математическое моделирование с помощью универсальных программных комплексов. Причем полноценная обработка и осмысление результатов моделирования гидродинамических явлений в потоке невозможны без многофункциональной системы постпроцессинга, позволяющей визуализировать результаты в виде векторной структуры потока, изолиний в секущих плоскостях или изоповерхностей в пространстве и т.п. Мобильным и гибким инструментом, дающим возможность адекватно моделировать многообразие явлений, происходящих в потоке, является программный комплекс для решения задач механики жидкости и газов — STAR-CD. Этот многоцелевой пакет анализа гидрогазодинамических процессов в промышленности, на транспорте и в окружающей среде разработан британской фирмой Computational Dynamics в сотрудничестве с Imperial College (Великобритания), ADAPCO (США, Япония), Aerospatial (Франция) и др. Разрабатываемый с 1987 года и имеющий сертификаты Lloyd и ISO’9001 комплекс позволяет решать методом конечных объемов уравнения Навье-Стокса в самой общей постановке с учетом турбулентности, тепло- и массопереноса, дисперсных примесей и химических реакций. Для дискретизации области течения предлагается довольно широкий набор форм опорных ячеек, позволяющий довольно гибко задавать пространственные мезаформы, характерные для речных русел (перекаты, отвесные берега, отмели, заводи, меандры и т.д.).

Изначально целью данной разработки было исследование взаимодействия бассейна затона «Имени 40 лет Октября» с основным руслом Волги (рис. 1), в ходе которого были решены следующие задачи.

  • Анализ кинематической структуры потока на стыке затона с основным руслом.
  • Исследование характера взаимодействия между затоном и основным руслом (при различных углах слияния).
  • Моделирование размыва твердых, нерастворимых частиц при промыве затона внешним потоком.
  • Нестационарная задача распространения шлейфа консервативных веществ, сброшенных в речной поток.
  • Стационарная задача распространения неконсервативных примесей в речном потоке.

Рассматривался характер слияния основного потока русла с транзитным потоком в затоне, при варьировании скорости последнего от 0,1 до 2 м/с с учетом турбулентности, в сочетании с моделью крупных вихрей в соответствующих областях (рис. 2). Наличие развитого постпроцессора позволяет наглядно оценить характер смещения зоны максимальных градиентов скоростей от левого берега основного русла (при VZ = 0,1 м/с) в устьевую зону слияния потока затона с основным руслом (при VZ = 2,0 м/с), а также сделать анализ соответствующего влияния на характер размыва песчаного русла. Помимо этого векторное отображение результатов расчета дает возможность отследить процесс формирования застойной и циркуляционной зон в затоне при росте скорости транзитного потока.

Большое количество моделей поведения полидисперсных примесей, наличествующих в STAR-CD, а также развитый постпроцессор пакета позволяют изучить характер движения в потоке как отдельных частиц, так и всего шлейфа механических примесей. Моделирование размыва нерастворимых частиц в затоне речным потоком выполнено на базе подхода Лагранжа и моделирования случайных возмущений траекторий, вызванных турбулентностью несущего потока. На рис. 3 представлены траектории движения пылеватых частиц диаметром 0,001 мм при различных скоростях движения транзитного потока. При нулевой скорости потока частицы не меняют свое местоположение. При увеличении скорости до 0,005 м/с частицы, смещаемые ламинарным потоком, постепенно начинают двигаться, нарушая начальное состояние покоя. При увеличении скорости до 0,05 м/с в области основного транзита потока в затоне начинают формироваться области вертикальной турбулентности, которые начинают закручивать частицы в затоне, не давая им возможности покинуть границы затона. При этом частичный вынос осуществляется транзитными струйками у левого берега, вытекающими из зоны рециркуляции. По мере увеличения скорости до 0,5 м/с поток начинает захватывать частицы, сносить их в области основного транзита и перемешивать в застойной правобережной зоне.

Помимо решения стационарных задач необходим анализ последствий распространения нестационарных выбросов в речной поток. В данной работе моделировался выброс консервативных (химически не взаимодействующих с водой) примесей с использованием подхода Лагранжа в совокупности с уравнением турбулентного массообмена. На рис. 4 представлены диаграммы распространения концентраций примеси, выброшенной на левом берегу основного русла. В начальный момент выброса шлейф мутности мигрирует вместе с потоком. По истечении первого отрезка времени шлейф распространяется с «отжатием» от левого берега транзитным потоком, идущим из затона. На третьем фрагменте — за счет смещения пика концентрации на транзит основного потока русла и диффузии — шлейф приобретает большие поперечные размеры. И наконец, в области, где влияние процесса слияния потоков ослабевает, шлейф мутности начинает близко прижиматься к берегу.

В речном потоке также могут присутствовать неконсервативные примеси, вступающие в химические реакции как с водой, так и между собой. Различные модели химических процессов, реализованные в STAR-CD (среди них имеются как гомогенные, так и гетерогенные типы реакций), позволяют это учитывать. Здесь был рассмотрен выброс в реку с левого берега сточных вод, содержащих раствор хлорида магния [MgCl2], со скоростью 0,5 м/с и выброс с правого берега 45-процентного раствора сульфата алюминия [Al2(SO4)3] со скоростью 1,5 м/с. Помимо этого внизу по течению на правом берегу наблюдается проникновение железа [Fe] в речной поток — например, отстой судна с ржавеющим корпусом (рис. 5). В результате начинаются химические реакции, происходящие в два этапа. На первом этапе попадающие в реку соли, взаимодействуя с потоком воды, начинают образовывать гидроксиды и кислоты:

MgCl2 + H2O → Mg(OH)2 + HCl;

Al2(SO4)3 + H2O → 2Al(OH)3 + + 3H2SO4).

На втором этапе образовавшаяся серная кислота, взаимодействуя с металлом, начинает формировать сульфат железа и водород:

Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2.

Для контроля процесса как в стационарном, так и в нестационарном состоянии была использована диаграмма распределения концентраций каждого вещества (рис. 6).

В процессе численного моделирования изменялись плановые очертания затона и углы выхода потока из него в транзитное течение. Были проанализированы характер водообмена между руслом реки и затоном, а также характер распространения механических примесей и химических реагентов. Это позволило «устранить» застойные и водоворотные зоны в области соединения потоков, уменьшающие коэффициент водообмена и ухудшающие естественную очистку затона. В результате расчетов удалось выявить области наибольшего отложения загрязнений, сформированные гидродинамическими особенностями потока, а после серии численных экспериментов — предложить оптимальную схему очистки затона и участка реки с целью оздоровления его экологии.

«САПР и графика» 12'2000