Mô phỏng sự khuếch tán khí thải công nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU Sự lan truyền các chất ô nhiễm từ nguồn thải công nhiệp là quá trình được quan tâm trong khuôn khổ bài toán bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Nếu không kiểm soát, dự báo được quá trình khuếch tán khí thải trong môi trường không khí có thể gây tổn hại nặng nề cho các vùng dân cư lân cận nguồn phát thải. Ta có thể kể ra các ví dụ minh hoạ về ô nhiễm không khí như: thảm hoạ tại thung lũng Manse – Bỉ (1/12/1930) làm 63 người chết, 6000 người bị ngộ độc; thảm hoạ tại Luân Đôn – Anh (26/01/1959) làm 200 – 250 người chết; thảm hoạ tại New York – Mỹ (23/11/1966) làm 170 người chết; thảm hoạ thảm khốc tại vùng Bhopal – Aán Độ (1984 – rò rỉ khí tại nhà máy sản xuất thuốc trừ sâu) làm 5000 người chết, 50000 người bị nhiễm độc trầm trọng do khí MIC (methyl-iso-cyanitate). Lịch sử kiểm soát ô nhiễm không khí được hình thành từ thế kỷ XIII ở Anh, tuy nhiên các kết quả đạt được đáng kể trên thế giới chỉ từ năm 1945. Trong những năm 1930 – 1940, một ống khói nhà máy thải luồng khói đặc vào khí quyển được coi như biểu tượng của sự thịnh vượng và một số địa phương coi nó như biểu tượng của chính quyền. Ngày nay, trên thế giới và tại Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên cứu giải quyết bài toán lan truyền chất, từ đó đã xây dựng thành công các phần mềm nhằm hỗ trợ các bài toán giám sát môi trường như: BLP (Buoyant Line and Point Source Dispersion Model), CALINE, CDM (Climatological Dispersion Model), RAM (Gaussian – Plume Multiple Source Air Quality Algorithm), MPTER (Multiple point Gaussian Dispersion Algorithm with Terrain Adjustment), CRSTER, ISC (Industrial Source Complex Model). Tuy nhiên, bài toán mô phỏng sự khuếch tán khí thải với các điều kiện địa hình phức tạp vẫn còn là bài toán khó, và vẫn được nghiên cứu ở cả khía cạnh lý luận và thực tiễn. Trong Luận văn này, các bài toán mô phỏng sự khuếch tán khí thải có lưu tâm đến tác động của yếu tố địa hình như: công trình – hệ thống công trình, đồi núi – thung lũng. Các bài toán mô phỏng được tiến hành với sự trợ giúp của gói phần mềm ANSYS (ANalysis SYStem) theo phương pháp phần tử hữu hạn. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN . i LỜI NÓI ĐẦU ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG BIỂU . vi DANH MỤC HÌNH ẢNH . vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LUẬN VĂN 01 1.1 – Tên đề tài 01 1.2 – Mục tiêu của đề tài . 01 1.3 – Phạm vi nghiên cứu của đề tài . 01 1.4 – Phương pháp nghiên cứu . 01 1.5 – Các công việc thực hiện trong luận văn . 02 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN 03 2.1 – Các yếu tố khí tượng liên quan đến sự khuếch tán chất ô nhiễm trong khí quyển . 03 2.1.1 – Đặc điểm của khí quyển 03 2.1.2 – Sự thay đổi nhiệt độ theo chiều cao của không khí . 03 2.1.3 – Trạng thái bền vững của khí quyển . 04 2.1.4 – Vận tốc gió . 05 2.2 – Aûnh hưởng của yếu tố địa hình đến sự khuếch tán khí thải 06 2.2.1 – Yếu tố địa hình đồi núi, thung lũng . 06 2.2.2 – Aûnh hưởng của các công trình xây dựng 08 2.3 – Lý thuyết khuếch tán chất ô nhiễm trong môi trường không khí 10 2.3.1 – Phương trình vi phân tổng quát của sự khuếch tán chất ô nhiễm . 10 2.3.2 – Phương trình vi phân rút gọn 10 2.4 – Tính toán khuếch tán chất ô nhiễm từ các nguồn thải cao . 11 2.4.1 – Tính toán theo quy luật phân phối chuẩn Gauss 11 2.4.1.1 – Công thức cơ sở của hàm Gauss . 11 2.4.1.2 – Công thức Gauss áp dụng trong thực tiễn tính toán 12 2.4.1.3 – Hệ số khuếch tán 13 2.4.1.4 – Chiều cao hiệu dụng của ống khói 14 2.4.2 – Tính toán theo phương pháp Berliand M.E. . 15 2.4.2.1 – Phương trình vi phân rút gọn Berliand M.E. 15 2.4.2.2 – Công thức rút ra từ phương trình vi phân . 15 2.4.2.3 – Vận tốc gió nguy hiểm 16 CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH ANSYS 17 3.1 – Tổng quan về phần mềm ANSYS . 17 3.2 – Các Module của ANSYS . 17 3.2.1 – ANSYS/ Structural 17 3.2.2 – ANSYS/ Linear Plus . 17 3.2.3 – ANSYS/ Flotran 17 3.2.4 – ANSYS/ Emag 2-D, 3-D . 18 3.2.5 – ANSYS/ Mechanical . 18 3.2.6 – ANSYS/ ED 18 3.2.7 – ANSYS/ PrepPost . 18 3.2.8 – ANSYS/ Thermal 18 3.2.9 – ANSYS/ LS-DYNA 18 3.2.10 – ANSYS/ Multiphysics . 18 3.2.11 – ANSYS/ Thermal U/ Flotran, ANSYS/ Thermal/Structural 18 3.2.12 – ANSYS/ ProFEA . 18 3.3 – Ứng dụng của phần mềm ANSYS trong lĩnh vực công nghiệp . 19 3.3.1 – Ngành công nghiệp hàng không . 19 3.3.2 - Ngành công nghiệp ô tô . 20 3.3.3 – Ngành công nhiệp đóng tàu . 21 3.3.4 – Thiết kế thiết bị HVAC 21 3.3.5 – Lĩnh vực hoá dầu 22 3.3.6 – Lĩnh vực điện tử 22 3.3.7 – Lĩnh vực thể thao 23 3.4 – Các bước giải bài toán trong ANSYS 24 3.4.1 – Chuẩn bị 24 3.4.2 – Xử lý ban đầu . 24 3.4.3 – Quá trình giải 25 3.4.4 – Quá trình xử lý kết quả . 25 3.5 – Một vài lưu ý khi giải bài toán trong FLOTRAN 25 3.5.1 – Đặc trưng phần tử . 25 3.5.2 – Trạng thái dòng chảy 25 3.5.3 – Tạo lưới phần tử hữu hạn 25 3.6 – Khả năng vận dụng ANSYS trong bài toán môi trường 26 CHƯƠNG 4: BÀI TOÁN 28 4.1 – Bài toán 1 . 29 4.1.1 – Bài toán 1a . 29 4.1.2 – Bài toán 1b . 30 4.2 – Bài toán 2 32 4.2.1 – Hình dạng, kích thước công trình . 32 4.2.2 – Điểm phát thải nằm ngoài vùng bóng rợp khí động 38 4.2.3 – Điểm phát thải nằm trong vùng bóng rợp khí động . 42 4.2.4 – Nguồn điểm nằm trong thung lũng 45 4.3 – Bài toán 3 50 4.4 – Bài toán 4 56 KẾT LUẬN . 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 61 PHỤ LỤC . 62 Mã nguồn bài toán 1a 62 Mã nguồn bài toán 1b 63 Mã nguồn Library2a 64 Mã nguồn Library2b 64 Mã nguồn mô hình 2a 65 Mã nguồn mô hình 2b 66 Mã nguồn mô hình 2c 67 Mã nguồn mô hình 3a 68 Mã nguồn mô hình 3b 69 Mã nguồn mô hình 4 70 Mã nguồn mô hình 5 71 Mã nguồn mô hình 6 72 Mã nguồn trường ô nhiễm NH3 73 Mã nguồn trường ô nhiễm SO2 74