Вестник МГТУ, 2023, Т. 26, № 1.

Вестник МГТУ. 2023. Т. 26, № 1. С. 25-44. DOI : https://doi.org/10 .21443/1560-9278-2023-26-1-25-44 УДК 622.4.3:519.67 Разработка модели аэротермодинамики атмосферы для исследования процессов пыления на хвостохранилищах с использованием программы COMSOL П. В. Амосов*, А. А. Бакланов *Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН, г. Апатиты, Мурманская обл., Россия; e-mail: p.amosov@ksc.ru, ORCID : https://orcid.org/00 00-0002-7725-6261 Информация о статье Поступила в редакцию 28.01.2023; принята к публикации 07.02.2023 Ключевые слова: CFD-модель атмосферы, программные коды, параметры конвекции и фоновой стратификации, интенсивность Для цитирования Реферат В статье представленобзорисследований аэротермодинамикии загрязнения атмосферына объектах горной промышленности с использованием программных комплексов вычислительной гидродинамики (CFD-моделирование), включающий специализированные и неспециализированные программы (FLOWVISION, ANSYS FLUENT, COMSOL). Описана аэротермодинамическая модель атмосферы, в которой уравнения динамики в приближении несжимаемой жидкости дополненыуравнениемпереносатеплаи параметрамиКориолиса, конвекции (плавучести), фоновой стратификации и потока радиации; рассмотрены необходимые модификации в программной среде COMSOL, обеспечивающие возможность выполнения исследований аэротермодинамики с учетом различных состояний атмосферы. Построена и апробирована на упрощенном представлении хвостохранилища двухмерная CFD-модель атмосферы. При фиксированной скорости ветрового потока 5 м/с и вариации параметра фоновой стратификации (от -0,05 до +0,05 °С/м) выполнены численные эксперименты, в ходе которых отмечены различия в аэродинамических параметрах потоков и пространственного распределения температурыв условияхразных состояний атмосферы. Анализ динамической скорости на высоте пыления и вертикального потока массы осуществлен с использованием эмпирической зависимости интенсивности пыления. Показана асимметричность (относительно нейтрального состояния атмосферы) величины вертикального потока массы в сравнении с неустойчивым и инверсионным состояниями. При устойчивых состояниях атмосферы величина вертикального потока массы пыли, а значит, и загрязнения атмосферы вниз по потоку будет заметно выше, чем при неустойчивых состояниях. Амосов П. В. и др. Разработка модели аэротермодинамики атмосферы для исследования процессов пыления на хвостохранилищах с использованием программы COMSOL. Вестник МГТУ. 2023. Т. 26, № 1. С. 25-44. DOI: 10.21443/1560-9278-2023-26-1-25-44. Development of a model of atmospheric aerothermodynamics for the study of dusting processes at tailings dumps using COMSOL software Pavel V. Amosov*, Аlexander А. Baklanov *Institute o fNorth Industrial Ecology Problems KSC RAS, Apatity, Murmansk region, Russia; e-mail: p.amosov@ksc.ru, ORCID : https://orcid.org/00 00-0002-7725-6261 Abstract An overview of studies of aerothermodynamics and atmospheric pollution at mining facilities using computational fluid dynamics software systems (CFD modeling) has been presented. Both specialized and non-specialized software are marked. The review focuses on the studies performed using the FLOWVISION, ANSYS FLUENT and COMSOL software codes. An aerothermodynamic model of the atmosphere is described in which the equations of dynamics in the incompressible fluid approximation are supplemented by the heat transfer equation and the parameters of Coriolis, convection (buoyancy), background stratification and radiation flux. The necessary modifications in the COMSOL software are described, which make it possible to carry out studies of atmospheric aerothermodynamics under various atmospheric conditions. A two-dimensional CFD model of the atmosphere has been built and tested on a simplified representation of the tailings dump. At a fixed wind flow velocity of 5 m/s and variations in the background stratification parameter (from -0.05 to +0.05 °C/m), numerical experiments have been performed and the calculation results have been analyzed. Differences in the aerodynamic parameters of the flows and the spatial distribution of temperature under different atmospheric conditions are noted. Estimates of the dynamic velocity at the dusting height and the vertical mass flux using the empirical dependence ofthe dusting intensity are performed. The analytical dependence of the vertical mass flux as a function of the stratification parameter is discussed. The asymmetry (relative to the neutral state of the atmosphere) of the magnitude of the vertical mass flux in comparison with the unstable and inversion states is shown. In stable atmospheric conditions, the magnitude of the vertical flux of the dust mass, and hence the pollution of the atmosphere downstream, will be noticeably higher than in unstable states. Amosov, P. V. et al. 2023. Development of a model of atmospheric aerothermodynamics for the study of dusting processes at tailings dumps using COMSOL software. Vestnik of MSTU , 26(1), pp. 25-44. (In Russ.) DOI: 10.21443/1560-9278-2023-26-1-25-44. Article info Received 28.01.2023; Accepted 07.02.2023 Key words: CFD-model of atmosphere, software codes, convection and background stratification parameters, dusting intensity For citation 25