عنوان پایان‌نامه
توسعه یک مدل ریاضی برای انتقال یک ذره در شرایط پایداری مختلف جو
- رشته تحصیلی
- مهندسی عمران - محیط زیست
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه دانشکده محیط زیست شماره ثبت: ENV 862;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 53269
- تاریخ دفاع
- ۳۰ مهر ۱۳۹۰
- دانشجو
- محمودرضا مومنی
- استاد راهنما
- خسرو اشرفی
- چکیده
- ذرات معلق یکی از مهمترین آلاینده‌های هوا می‌باشند و اثرات منفی بر روی گیاهان، سلامت انسان‌ها و تخریب محیط زیست دارند. منابع مختلفی برای تولید ذرات معلق وجود دارند که به‌طور کلی می‌توان به منابع بشرساخت و منابع طبیعی اشاره کرد. برای حرکت یک ذره در جو مدل‌های زیادی ارائه شده‌است. اکثر این مدل‌ها برای نشست ذره و به‌صورت مدل‌های مقاومتی می‌باشند. یک سری از مدل‌ها هم به‌صورت دینامیک مولکولی برای حرکت یک ذره بسط داده شده‌اند که اکثراً از نیروهای غالب استفاده کرده‌اند. در هیچ‌کدام از مدل‌های ارائه شده، حرکت ذره در شرایط مختلف پایداری جوی مورد بررسی قرار نگرفته است. هدف از انجام این پژوهش، ارائه یک مدل ریاضی برای شبیه‌سازی حرکت یک ذره در جو با رویکرد دینامیک مولکولی در شرایط پایداری مختلف جوی است. این مدل ریاضی از دو مدل هواشناسی و شبیه‌ساز حرکت ذره تشکیل شده که مدل هواشناسی، پارامترهای جوی و مدل شبیه‌ساز حرکت ذره، مسیر حرکت ذره و همچنین سرعت ذره در هر سه راستا را محاسبه می‌کند. برای تعیین پارامترهای جوی (مدل هواشناسی)، از نظریه تشابهی مونین-ابوخف استفاده شده‌است. همچنین فرض شده که قانون هیدرواستاتیک و حالت دائم نیز برای جو برقرار است. مدل هواشناسی یک مدل محلی بوده و قابلیت محاسبه پارامترهای سرعت باد، جهت باد، دما، دمای پتانسیل، فشار، چگالی، انرژی جنبشی تلاطم، نرخ اتلاف انرژی، لزجت دینامیکی و سینامیکی، ضریب هدایت حرارتی هوا، بیشترین عمق اختلاط و ارتفاع لایه مرزی، سرعت اصطکاکی و طول مونین-ابوخف را دارد. با این مدل، می‌توان شرایط مختلف پایداری جوی را برای ذره به‌وجود آورد. مدل شبیه‌ساز حرکت ذره، مدلی است که در آن از رویکرد لاگرانژی برای به‌دست آوردن مسیر حرکت ذره استفاده شده‌است. در این مدل، نیروهای کششی، کوریولیس، ثقلی، برشی برا، مغناطیسی، گرمایی، جرم مجازی و براونی به یک ذره معلق رها شده در جو اعمال می‌شود. نیروی براونی از روش اغتشاش سفید و با استفاده از اعداد تصادفی گوسی به‌دست می‌آید. این مدل شبیه‌ساز حرکت ذره، سرعت، مکان و شتاب ذره و همچنین مقادیر تک تک نیروهای اعمال شده به ذره را در هر سه راستا و از زمان شروع حرکت محاسبه می‌کند. حل معادلات تکانه و تغییر مکان در مدل شبیه‌ساز، با استفاده از روش رانگ-کوتا انجام شده‌است. این تحقیق با زبان برنامه‌نویسی فرترن نوشته شده‌است. نتایج سرعت و همچنین تغییر مکان ذره این مدل برای کلاس‌های پایداری مختلف جوی و با فرض سرعت باد 5/2 متر بر ثانیه در ارتفاع مرجع و ارتفاع رهاسازی 50 متر از سطح زمین مورد بررسی قرار گرفته است. این بررسی‌ها نشان میدهند که برای یک ذره با قطر ثابت، هر چه جو پایدارتر می‌شود قدر مطلق متوسط سرعت نشست آن ذره کاهش می‌یابد. در جو ناپایدار، انحراف یک ذره با قطرکوچکتر مساوی 50 میکرومتر در جهت عمود بر وزش باد، به‌دلیل مقدار نیروی مغناطیسی به‌سمت مثبت محور و در جو پایدار و خنثی برای ذرات بزرگتر از 15 میکرومتر به‌دلیل نیروی کوریولیس به‌سمت منفی محور میباشد. همچنین هر چه جو پایدارتر می‌شود، تغییر مکان در جهت وزش باد بیشتر می‌شود. کلمات کلیدی: حرکت یک ذره، کلاس پایداری جوی، مونین-ابوخف، رانگ-کوتا
- Abstract
- Aerosols are important pollutants which have negative effects on plants and human health. There are different sources of aerosols production including anthropogenic and natural sources. Many models have been developed for a particle’s motion in the atmosphere. Most of these models are resistance based models and they are designed for particle’s deposition. A few models have been developed in molecular dynamic form for a particle motion most of which use dominant forces. In none of these models, the particle motion has been developed in the different atmospheric stability classification. The aim of this research, is developing a mathematical model to simulate a particle motion in different atmospheric stability classes with molecular dynamic approach. The proposed mathematical model consists of a meteorological model, in which atmospheric parameters are calculated, and particle motion model to simulate particle’s path and speed and also amount of forces acing on a particle. Monin-Obukhov similarity theory is used to obtain atmospheric parameters (meteorological model). Also, it is assumed that atmosphere is in hydrostatic balance and is in steady state. Meteorological model is a local model capable to calculate wind speed, wind direction, temperature, potential temperature, pressure, density, turbulence kinetic energy, energy dissipation rate, dynamic and kinematic viscosity, thermal conductivity of air, max mixing height, boundary layer height, friction wind speed and Monin-Obukhov length. Based on these obtained meteorological parameters, different atmospheric stability classes have been imposed to particle motion. Lagrangian method has been used in particle motion simulator to obtain a particle trajectory using acting forces on a released particle in the atmosphere including drag, Coriolis, gravitational, lift, magnetic, thermal, virtual mass and Brownian forces have been considered. The Brownian force is derived from white noise technique and Gaussian random number. The model capable to calculate particle velocity and position and also acceleration is calculated as well as all forces acting on the particle. Momentum and position equations of the particle is integrated using Runge-Kutta method. The meteorological model and simulator model of particle motion is programmed by FORTRAN language. Results obtained for particle motion with diameter of 1-100 µm in different atmospheric classes. In all cases, it is assumed that the mean wind speed is 2.5 m/s at the reference height (10 m) and the release height of particles is 50 meter. Results show that as the stability of atmosphere increases, the absolute value of mean settling velocity decreases for a particle with constant diameter and also the position in wind speed direction increases. In unstable classes the particles with diameter less than 50 µm, because of magnetic force, are mostly deviated to the positive axis of vertical direction of wind velocity axis and in stable and neutral classes, because of Coriolis force, articles with diameter greater than 15 µm turned to the negative side of vertical direction of wind velocity axis. KeyWords: A particle motion, Atmospheric stability class, Monin-Obukhov, Runge-Kutta
