Математическое моделирование аэродинамики идеализированных горных ущелий

Е.С. Каменецкий; А.А. Радионов

doi:10.46698/r8904-0498-0722-u

Е.С. Каменецкий Южный математический институт Владикавказского научного центра РАН, Россия, 362025, г. Владикавказ, ул. Ватутина, 53
А.А. Радионов Южный математический институт Владикавказского научного центра РАН, Россия, 362025, г. Владикавказ, ул. Ватутина, 53

DOI: https://doi.org/10.46698/r8904-0498-0722-u

Ключевые слова: горное ущелье, пыль, хвостохранилище, математическая модель, аэродинамика

Резюме

Актуальность работы. В горных территориях расположены хвостохранилища, в которых, часто открытым способом, содержатся «хвосты» – отходы деятельности горнодобывающих комбинатов, откуда в летнее время, при солнечном нагреве и заметном ветре в виде мелкой пыли хвосты попадают в атмосферу горных ущелий. Многофакторные течения воздуха и сложные закономерности аэродинамики горных ущелий обусловливают необходимость исследования каждого конкретного ущелья отдельно. Изучение горных ущелий идеализированной формы удобно использовать для подробного анализа атмосферных течений в практически важных прикладных задачах мониторинга аэродинамических характеристик и распространения ЗВ в реальных ущельях. Методы. При помощи математического моделирования рассматриваются трехмерные изотермические течения атмосферы в горном ущелье с идеализированной геометрической формой в виде прямоугольной каверны, ориентированной с юга на север. Целью исследования является изучение влияния отношения ширины горного ущелья к его высоте и сопоставление результатов модельных расчетов, полученных для Алагирского ущелья, РСО-Алания, РФ. Результаты. Показано, что при отношении ширины к его высоте большем трех горное ущелье относится к условно «широким». Анализ аэродинамических свойств Алагирского ущелья позволяет сделать вывод, что в точке нахождения Унальского хвостохранилища это ущелье соответствует широким ущельям. Такой вывод можно сделать из соответствия роз ветров этих ущелий и из приблизительного соответствия нестационарных режимов течения по направлениям внешнего ветра. Для идеализированных ущелий разной ширины показаны розы ветров, характерные профили скорости ветра в поперечном сечении ущелья, частоты и амплитуды возникающих осцилляций при разных направлениях внешнего ветра, а также распределения концентрации примеси от источника, расположенного на дне ущелья, как маркера режимов течения. Знание закономерностей течения воздуха в идеализированных горных ущельях позволяет проводить более глубокий анализ аэродинамических режимов и основных свойств рассеяния загрязняющих веществ в реальных горных ущельях, а также осуществлять реалистичные прогнозы на основе идеализированных моделей.

Литература

Барри Р.Г. Погода и климат в горах. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. – 311 с.

Гурбанов А.Г., Лескин А.Б., Газеев В.М., Гурбанова О.А., Лолаев А.Б., Оганесян А.Х., Дзебоев С.О. Оценка масштабов и степени негативного воздействия Фиагдонского хвостохранилища на экосистему. // Вестник Владикавказского научного центра. – 2020. – Т. 20. No 2. – 2020. – С. 54–62. DOI: 10.46698/d5387-0147-5683-x.

Гурбанов А.Г., Лексин А.Б., Газеев В.М., Гурбанова О.А., Лолаев А. Б., Оганесян А.Х., Дзебоев С.О. Закономерности в характере распределения содержаний макро- и микроэлементов в поверхностном слое (0.6 м) Фиагдонского хвостохранилища. // Вестник Владикавказского научного центра. – 2019. – Т. 19. No 4. – С. 51–59. DOI: 10.23671/VNC.2019.4.43324.

Каменецкий Е.С., Радионов А.А., Тимченко В.Ю., Панаэтова О.С., Свердлик Г.И. Математическое моделирование распределения пыли по склонам горного ущелья от хвостохранилища, расположенного в Алагирском ущелье. // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2020. – NoNo 11-1. – С. 118–134. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-111-0-118-134.

Каменецкий Е.С., Радионов А.А., Тимченко В.Ю., Панаэтова О.С. Математическое моделирование распределения химических веществ и твердой фазы хвостов, осаждающихся на горных склонах в районе Фиагдонского хвостохранилища РСО-Алания. // Устойчивое развитие горных территорий. – 2022. – Т. 14. No 3. – С. 349–361. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-3-349-361.

Лолаев А.Б., Бадтиев Б.П., Бутюгин В.В., Бадоев А.С. Определение консолидационных характеристик хвостов намывных техногенных месторождений. // Устойчивое развитие горных территорий. – 2017а. − Т. 9. No 4. − С. 355–361.

Лолаев А.Б., Гурбанов А.Г., Дзебоев С.О., Илаев В.Э. Загрязнение прилегающих территорий в районе деятельности Садонского свинцово-цинкового комбината (Республика Северная Осетия-Алания). // Вестник Владикавказского научного центра. – 2017б. − Т. 6. No 2. − С. 177–180.

Шелковников М. С. Мезометеорологические процессы в горных районах и их влияние на полеты воздушных судов. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. − 208 с.

Chow F.K., De Wekker S.F.J., Snyder B.J. Mountain Weather Research and Forecasting. Dordrecht. Springer. 2013. 750 p. DOI: 10.1007/978-94-007-4098-3.

Cuxart J., Cunillera J., Jimenez M.A., Martínez D., Molinos F., Palau J.L. Study of mesobeta basin flows by remote sensing. // Boundary-Layer Meteorology. – 2011. – Vol. 143. – pp. 143–158. DOI: 10.1007/s10546-011-9655-8.

Gillies J.A. Fundamentals of aeolian sediment transport: dust emissions and transport – near surface. Environmental Science, Geology. – 2013. − Vol. 11. Issue 4. − pp. 43–63. DOI: 10.1016/B978-0-12-374739-6.00297-9.

Gohm A., Harnisch F., Vergeiner J., Obleitner F., Schnitzhofer R., Hansel A., et al. Air pollution transport in an alpine valley: results from airborne and ground-based observations. // Boundary-Layer Meteorology. – 2009. – Vol. 131. – pp. 441–463. DOI: 10.1007/s10546-009-9371-9.

Hargreaves D.M., Wright N.G. On the use of the k-Epsilon model in commercial CFD software to model the neutral atmospheric boundary layer. // Journal of wind engineering and industrial aerodymanics. – 2007. – Vol. 95. Issue 5. – pp. 355–269.

Issa R.I. Solution of the implicitly discretised fluid flow equations by operator-splitting. // Journal of Computational Physics. – 1986. – Vol. 62. Issue 1. – pp. 40–65. DOI: 10.1016/0021-9991(86)90099-9.

Kok J.F., Mahowald N.M., Fratini G., Gillies J.A., Ishizuka M., Leys J.F., Mikami M., Park M.-S., Park S.-U., Van Pelt R.S., Zobeck T.M. An improved dust emission model – Part 1: Model description and comparison against measurements. // Atmospheric Chemistry and Physics. – 2014. – Vol. 14. Issue 23. – pp. 13023–13041. DOI: 10.5194/acp-14-13023-2014.

Lang M.N., Gohm A., Wagner J.S. The impact of embedded valleys on daytime pollution transport over a mountain range. // Atmospheric chemistry and physics, Discussions. – 2015. – Vol. 15. – pp. 14315–14356. DOI: 10.5194/acpd-15-14315-2015.

Lehner M., Whiteman C.D. Physical mechanisms of the thermally driven cross-basin circulation. // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. – 2014. – Vol. 140. Issue 680. – pp. 895–907. DOI: 10.1002/qj.2195.

Lehner M., Rotunno R., Whiteman C.D. Flow Regimes over a Basin Induced by Upstream Katabatic Flows-An Idealized Modeling Study. // Journal of the Atmospheric Sciences. – 2016. – Vol. 73. pp. 3821–3842. DOI: 10.1175/JAS-D-16-0114.1.

Lehner M., Whiteman C.D., Dorninger M. Inversion Build-Up and Cold-Air Outflow in a Small Alpine Sinkhole. // Boundary-Layer Meteorology. – 2017. – Vol. 163. – pp. 497–522.

Leukauf D., Gohm A., Rotach M.W., Wagner J.S. The impact of the temperature inversion breakup on the exchange of heat and mass in an idealized valley: sensitivity to the radiative forcing. // Journal of Applied Meteorology and Climatology. – 2015. – Vol. 54. – pp. 2199–2216. DOI: 10.1175/jamc-d-15-0091.1.

Leukauf D., Gohm A., Rotach M. Towards generalizing the impact of surface heating, stratification and terrain geometry on the daytime heat export from an idealized valley. // Journal of Applied Meteorology and Climatology. – 2017. – Vol. 56. Issue 10. – pp. 2711–2727. DOI: 10.1175/JAMC-D-16-0378.1.

Lindkvist L., Gustavsson T., Bogren J. A frost assessment method for mountainous areas. // Agricultural and Forest Meteorology. – 2000. – Vol. 102. – pp. 51–67.

Mahrt L. Variation of surface air temperature in complex terrain. // Journal of Applied Meteorology and Climatology. – 2006. – Vol. 45. – pp. 1481–1493.

Matzinger N., Andretta M., van Gorsel E., Vogt R., Ohmura A., Rotach M.W. Surface radiation budget in an Alpine valley. // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. – 2003. – Vol. 129. – pp. 877–895. DOI: 10.1256/qj.02.44.

Rotach M.W., Andretta M., Calanca P., Weigel A.P., Weiss A. Boundary layer characteristics and turbulent exchange mechanisms in highly complex terrain. // Acta Geophysicae. – 2008. – Vol. 56. – pp. 194–219. DOI: 10.2478/s11600-007-0043-1.

Serafin S., Zardi D. Daytime heat transfer processes related to slope flows and turbulent convection in an idealized mountain valley. // Journal of the Atmospheric Sciences. – 2010. – Vol. 67. – pp. 3739–3756. DOI: 10.1175/2010JAS3428.1.

Sharples J.J. An overview of mountain meteorological effects relevant to fire behaviour and bushfire risk. // International Journal of Wildland Fire. – 2009. – Vol. 18. – pp. 737–754.

Teixeira M.A.C., Kirshbaum D.J., Olafsson H., Sheridan P.F., Stiperski, I., et al. The atmosphere over mountainous regions. Switzerland: Frontiers Media SA, 2016. – 162 p.

Wagner J.S., Gohm A., Rotach M.W. The impact of valley geometry on daytime thermally driven flows and vertical transport processes. // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. – 2015а. – Vol. 141. Issue 690. – pp. 1780–1794. DOI: 10.1002/qj.2481.

Wagner J.S., Gohm A., Rotach M.W. Influence of along-valley terrain heterogeneity on exchange processes over idealized valleys. // Atmospheric Chemistry and Physics. – 2015б. – Vol. 15. Issue 12. – pp. 6589–6603.

Whiteman C.D. Breakup of temperature inversions in deep mountain valleys. Part I: observations. // Journal of Applied Meteorology. – 1982. – Vol. 21. – pp. 270–289.32. Whiteman C.D. Mountain Meteorology: Fundamentals and Applications. NY: Oxford University Press, 2000. – 376 p.