Анотація до роботи:

Нгуєн Суан Зионг. Чисельне моделювання нестаціонарних процесів забруднення рік. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.02.05 – механіка рідин, газу та плазми. – Дніпропетровський національний університет, Дніпропетровськ, 2004.

Дисертація присвячена дослідженню нестаціонарних задач течії води і розповсюдження домішок у руслах рік.

У дисертації представлено ефективний метод визначення прогнозного рівня забруднення акваторій річок після аварій або інших нештатних ситуацій, що можуть привести до інтенсивного попадання забруднюючих речовин у русла. Запропонований метод дозволяє на новому науковому рівні провадити прогноз якості водного середовища з урахуванням всіх важливих факторів, що істотно впливають на гідродинаміку і процес міграції домішок у руслах річок (наявність островів, приток, водозаборів, змінної глибини тощо).

Побудована математична модель заснована на використанні рівнянь планової річної гідравліки і планового конвективно-дифузійного рівняння переносу забруднень, а чисельна методика її реалізації – на використанні процедури розщеплення конвективних матриць на суми знакосталих, що дало можливість побудувати стійкі чисельні алгоритми. Характерною рисою розробленого чисельного алгоритму є використання маркерної комп’ютерної моделі завдання геометрії розрахункової області.

Наведено численні результати обчислювальних експериментів по передбаченню процесу розповсюдження забруднень в акваторіях річок Дніпро–Самара та річки Кільчень за декількома сценаріями інтенсивного попадання в них забруднюючих речовин. Виконано чисельне моделювання процесу інтрузії солоних вод у дельті Меконг (Соціалістична Республіка В’єтнам) на підтримку проекту створення системи зрошування.

За результатами виконаної дисертаційної роботи можна зробити такі вис-новки:

1. У дисертаційній роботі представлено новий підхід до вирішення важливої наукової проблеми, що полягає у розробці ефективного методу розв’язання широкого класу прикладних задач прогнозу рівня забруднення акваторій річок внаслідок інтенсивного попадання забруднюючих речовин у русла за довільним сценарієм. Запропонований метод дозволяє на новому науковому рівні прогнозувати якість водного середовища для реальних русел з урахуванням всіх особливостей, що істотно впливають на гідродинаміку і процес міграції домішок (наявність островів, притоків, змінної глибини тощо). Розроблена математична та комп’ютерна модель може бути прийнята за основу створення системи моніторингу якості води у річках на випадок виникнення аварій та інших нештатних ситуацій, що призводять до інтенсивного попадання забруднювачів у русла.

2. В основу розробленої математичної моделі гідродинаміки течій і розповсюдження забруднень у руслах покладено систему рівнянь планової моделі, записаних як у фізичних, так і у змінних Гельмгольця “завихреність-функція струму”. Характерною рисою розробленого чисельного методу інтегрування системи рівнянь у фізичних змінних є процедура розщеплення конвективних матриць на суми знакосталих матриць, що дозволяє строго відслідковувати у чисельній процедурі напрямки переносу збурень. Процедура чисельного розв’язування системи рівнянь руху у змінних Гельмгольця зводиться до розщеплення рівняння переносу завихреності на два кроки таким чином, щоб на кожному кроці розрахунок невідомих виконувався за схемою “побіжного рахунку”. Побудована таким чином різницева схема є неявною, абсолютно стійкою, але розрахунок в ній виконується за явною схемою. Для чисельного інтегрування рівняння для функції струму використовується метод установлення розв’язку за плином “фіктивного часу” з застосуванням розщепленням різницевого рівняння за позмінно-різницевою схемою.

3. Розроблено різницеві схеми для чисельного інтегрування планового рівняння переносу домішок і на їх основі побудовано стійкі алгоритми розрахунку, спроможні для дослідження гідроміграційних процесів в акваторіях русел за довільним сценарієм попадання забруднень у водотік.

4. Розроблено маркерну комп’ютерну модель завдання геометрії розрахункової області акваторії, що дозволяє здійснювати реалізацію розрахунків на фізичній прямокутній різницевій сітці. Це дозволяє відмовитись від використання відображення розрахункової області (котра має звичайно дуже складну форму і може бути багатов’язною) на параметричну область більш простої форми, що дає можливість на практиці виконувати порівняно швидке формування дискретної моделі розрахункової області.

5. Розроблені методики дозволили виконати комплекс обчислювальних досліджень по прогнозу забруднення акваторії річок Дніпро-Самара у випадку виникнення нештатних ситуацій на залізничних мостах м. Дніпропетровська, наслідком яких може бути попадання шкідливих речовин у водотік. Розглянуто три сценарії розвитку нештатної ситуації: на залізничному мосту № 1, на Мерефо-Херсонському та Синельніковському залізничному мостах. Отримано унікальні розрахункові дані щодо динаміки забруднень усієї розглянутої дільниці акваторії, а також визначено рівень забруднень на водозаборах питного та господарського водопостачання пригородів м. Дніпропетровська.

6. На прикладі нештатної ситуації на Синельніковському мосту виконано методичне дослідження того, як впливає на результати розрахунку процесу міграції забруднень вхідна інформація відносно глибин води у руслі. Виявилось, що використання як вихідних даних середніх значень глибини призводить до збільшення розрахункової довжини прогнозної зони забруднення і збільшення інтенсивності її забруднення.

7. Методом обчислювального експерименту досліджено процес забруднення р. Кільчень у випадку аварійного скиду у її русло стічних вод із ставка-накопичувача тваринницького комплексу.

8. Виконано обчислювальний експеримент по моделюванню очищення застійної зони штучної затоки в акваторії Дніпра в межах м. Дніпропетровська (водний канал) і визначено проміжок часу, необхідний для її повного самоочищення.

9. Методом обчислювального експерименту виконано широке дослідження режиму коливання солоності води в акваторії дельти Меконг (Соціалістична Республіка В’єтнам) внаслідок інтрузії морських вод, що дало можливість сформулювати науково-обґрунтовані рекомендації щодо організації режиму роботи запроектованих водозабірних устаткувань для зрошування сільськогосподарських угідь.

Публікації автора:

1. Зыонг Н.С. Численное моделирование течения воды на участке русла реки // Вісник Дніпропетровського університету. Механіка, 1999. Вип. 2, т. 1. – С.76-85.

2. Зыонг Нгуен Суан. Численное исследование колебаний свободной поверхности воды на участке русла при возмущении на входе // Вестник нац. техн. университета Украины «Киевский политехнический институт», Машиностроение. – Киев, 2000. Вып. 38, том 2. – С.210-215.

3. Зыонг Н.С. Численное моделирование течения воды на участке русла реки с переменной глубиной дна // Вісник Дніпропетровського університету. Механіка, 2000. Вип. 3, т.1. – С.130-136.

4. Зыонг Н.С. Математическая модель гидродинамики наполнения русла водоема с подвижной границей // Вісник Дніпропетровського університету. Механіка, 2001. Вип. 5, т.1. – С.33-38.

5. Duong N. X. Khrutch V. K. Computational modeling of flow and pollution transportation in open channel with complicated geometry and bottom relief//Scientific proceedings of Riga technical university in series “Computer science”. – Riga, 2001, vol.7 (Boundary Field Problems and Computer Simulation, 43^rd issue) – P.19-25.

6. Зыонг Н.С. Численное моделирование загрязнения рек при аварийном сбросе сточних вод // Збірник наукових праць: “Проблеми обчислювальної механіки і міцності конструкцій”. Дніпропетровський національний університет. – Дніпропетровськ, 2003, Вип.7. – С.73-81.

7. Беляев Н.Н., Зыонг Н.С. Математическое моделирование загрязнения реки при аварийном сходе цистерн // Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, 2003. Вип.1. – С.26-30.

8. Беляев Н.Н., Зыонг Н.С. Прогнозирование уровня загрязнения аквато-рии р. Днепр при авариях на железнодорожных мостах // Тезисы докладов второй международной научно-практической конференции «Проблемы природопользования, устойчивого развития и техногенной безопасности регионов». – Днепропетровск, 01 – 03.10.2003. – С.259-260.

9. Зыонг Н.С. Расчет загрязнения реки Днепр при аварийных сбросах // Тези доповідей першої науково-практичної конференції «Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління», ч. 1. – Київ, 2003. – С.193-194.

10. Зыонг Н.С. Численное моделирование загрязнений рек после аварий // Тезисы IV Международного симпозиума «Безопасность жизнедеятельности в XXI веке». – Днепропетровськ, январь 2004. – С.81.

11. Зыонг Н.С. Численое моделирование нестационарных процессов загрязнения акватории рек // Тезисы, VII Міжнародна науково-практична конференція «Наука і освіта – 2004». – Днепропетровск, 02.2004. – С.25-26.