Статті КГВФ ФБАІ ДІІТ

Permanent URI for this collectionhttp://crust.ust.edu.ua/handle/123456789/16429

ENG: Articles

Browse

Now showing 1 - 40 of 86

Моделювання роботи водяної завіси для захисту працівників від термічного ураження
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, Україна, 2021) Біляєв, Микола Миколайович; Берлов, Олександр Вікторович; Біляєва, Вікторія Віталіївна; Вергун, Оксана Олександрівна
UKR: Постановка проблеми. Розглядається оцінювання ефективності використання водяної завіси для зменшення ризику термічного ураження людей під час пожежі. Ставиться задача визначення температурних полів під час подачі води для охолодження повітря. Мета роботи − розроблення числової моделі для розрахунку процесу розповсюдження крапель води в повітрі, їх випарювання для зменшення температури нагрітого повітря внаслідок пожежі. Методика. Для математичного моделювання процесу поширення крапель води в повітрі, теплового забруднення повітря застосовуються конвективно-дифузійне рівняння масопереносу, рівняння енергії та рівняння, що описує рух ідеальної рідини (модель потенціальної течії). Модель потенціальної течії дозволяє швидко визначити поле швидкості повітряного потоку в областях, що мають складну геометричну форму. Для числового інтегрування рівняння конвективно-дифузійного масопереносу та рівняння енергії застосовуються неявні різницеві схеми розщеплення. Для побудови різницевого аналога моделювальних рівнянь використовується фізичне розщеплення базових рівнянь. Для розв'язання задачі аеродинаміки − визначення поля потенціалу швидкості та компонент вектора швидкості повітряного потоку застосовуються метод Річардсона та схема умовної апроксимації. Розроблено інженерну методику розрахунку процесу випарювання краплі води, що базується на законі Срезневського. Наукова новизна. Розроблено ефективну числову модель, що дозволяє методом обчислювального експерименту визначати ефективність використання водяної завіси для зменшення рівня теплового забруднення атмосферного повітря внаслідок пожежі. Числова модель базується на інтегруванні фундаментальних рівнянь аеродинаміки, тепломасопереносу. Модель враховує найбільш суттєві фізичні фактори, що впливають на процес, який досліджується: рух нагрітого повітря, рух крапель води в повітрі, випарювання краплі тощо. Практична значимість. На базі побудованої моделі створено комп’ютерний код, що дозволяє швидко визначати температурні поля в повітрі з використанням водяної завіси. Числова модель буде корисна для проведення обчислювальних експериментів з метою науково обгрунованого вибору місця розташування водяної завіси під час пожежі. Висновки. Створено комп’ютерну програму (код), що дозволяє методом обчислювального експерименту досліджувати ефективність використання водяної завіси під час пожежі. Розроблена комп’ютерна програма може бути реалізована на комп’ютерах малої та середньої потужності. Наведені результати обчислювального експерименту.
Технологія очищення стічних вод в умовах космосу
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, Україна, 2021) Долина, Леонід Федорович; Нагорна, О. К.; Ждан, Юлія Олександрівна; Долина, Д. А.
UKR: Постановка проблеми. Система життєзабезпечення Міжнародної космічної станції обов’язково включає забезпечення екіпажу водою питної якості та очищення і знешкодження стічних вод. Вартість доставки води до МКС дуже висока, тому необхідно вдосконалювати технологічні схеми очищення стічних вод в умовах космосу з метою повторного використання води в повному замкненому циклі. Методи. Дослідження виконані на підставі аналізу українських і зарубіжних наукових джерел і звітних даних про специфіку використання води на космічних станціях і способах очищення стічних вод. Для розроблення технології очищення стічних вод в умовах космосу, окрім світового досвіду, використані власні дослідження. Наукова новизна. Автори статті провели аналіз роботи існуючих споруд з очищення стічних вод в умовах космосу і подали рекомендації до їх використання на МКС. Розроблена технологія для очищення стічних і питних вод в умовах невагомості (космосу) ґрунтується на використанні реакторів. Реактори можуть бути виконані з різних матеріалів (метал, пластик та ін.), вони не містять нестандартного устаткування, яке вимагає заводського виготовлення. Компактність, повна герметичність і невеликі габарити біо- і фізико-хімічних реакторів дозволяють установлювати їх у межах МКС. Процес очищення простий в керуванні і може бути повністю автоматизований. Практична значимість. Водні проблеми – головні у всьому світі, у тому числі і в умовах космосу. На МКС має бути передбачена система обробки стічних вод та їх замкнутого використання, оскільки постачання станцій новою водою значно збільшує вартість освоєння космічного простору. Якісна вода − це здоров’я і благополучна робота людей в умовах космосу. Оскільки в космосі відсутня гравітація, для відділення зважених речовин від води треба використовувати відцентрові сили (центрифуги). Висновки. Комплексний розгляд питань, що пов’язані з очищенням стічних вод в умовах космосу, дозволяє зробити висновок про необхідність регенерації води на Міжнародних космічних станціях (МКС).
Математичне моделювання в проблемах очистки води
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, 2022) Біляєв, Микола Миколайович; Машихіна, Поліна Борисівна; Козачина, Віталій Анатолійович; Цуркан, Валерія Вячеславівна
UKR: Постановка проблеми. Аналіз ефективності роботи очисних споруд у системах водовідведення на етапі їх проєктування має велике значення. Також на етапі реконструкції споруд або налаштування їх роботи в умовах іншого навантаження потрібно знати ефективність очистки води на різних ділянках очисних споруд. Така інформація дає можливість раціонально експлуатувати споруди. Для розв’язання задач даного класу найбільш ефективний інструмент – це метод чисельного моделювання. В роботі розглянуто побудову комплексу чисельних моделей для розв’язання задач даного класу. Методологія. Для розв’язання задачі гідродинаміки – визначення поля швидкості потоку стічних вод в очисній споруді – використовуються дві фундаментальні моделі. Перша – модель безвихрового руху нестисливої рідини. Друга модель – рівняння Нав’є–Стокса, що записані у змінних Гельмгольца. Для визначення полів концентрації домішки в очисних спорудах використовується рівняння масопереносу, що враховує швидкість течії, дифузію, наявність джерел емісії домішки. Для розрахунку процесу біологічного очищення стічних вод використовуються рівняння матеріального балансу для субстрату та активного мулу. Для побудови чисельних моделей, що дозволяють розрахувати гідродинаміку потоку та розподіл концентрації домішки в споруді, використовуються скінченорізницеві схеми. Для чисельного розв’язання рівнянь матеріального балансу застосовується метод Ейлера. Результати. Побудовано чисельні моделі, що були використані для розробки комплексу комп’ютерних програм. Ці комп’ютерні програми дозволяють у режимі реального часу аналізувати ефективність очистки води у споруді. Новизна. Розроблено чисельні моделі, що дозволяють досліджувати процес очистки води в спорудах типу «відстійник» та в аеротенках, тобто для значного класу очисних споруд, що використовуються на практиці. Практична цінність. Час розрахунку поля швидкості та концентраційного поля домішки в очисній споруді, що має складну геометричну форму, складає декілька секунд. Це дозволяє використовувати розроблені чисельні моделі для серійних розрахунків у проектних організаціях у щоденній роботі.
Composition Variations and UV Irradiation Effect on Charge Transfer in PbMoO4 Single Crystals
(Oles Honchar Dnipro National University, 2022) Bochkova, Tatiana; Trubitsyn, Mykhailo P.; Volnianskii, M. D.; Volnyanskii, Dmytro M.
ENG: The effect of nonstoichiometry of the composition, PbO polymorphism, and preliminary irradiation with ultraviolet light on electrical conductivity of alternating current (AC) was studied in PbMoO4 crystals. The crystals were grown by Czochralski method in a direction deviated by 30° from a-axis in (001) plain. The charge was prepared from MoO3 and PbO, lead oxide was used of α- or β- structural modifications. The reagents were taken both in a stoichiometric ratio and with an excess of 0.5 mol % of MoO3. It was shown that the magnitude of the dark and irradiation-induced AC conductivity was affected both by the type of polymorphic form of PbO and by the excess amount of MoO3. The influence of the PbMoO4 crystal structural disorder on charge transfer processes are discussed within the framework of the model of hopping conduction in disordered media.
Kinetic Regularities of the Formation of Composite Electrolytic Coatings Containing Ultradispersed Diamond Particles
(Vasyl Stefanyk Precarpathian National University, Ukraine, 2022) Tytarenko, Valentyna V.; Zabludovsky, Vladimir A.; Shtapenko, Eduard Ph.; Tytarenko, Igor V.
ENG: The paper formulates the problem of joint electrolytic co-deposition of metal ions and ultradispersed diamond particles into a metal matrix. It presents the developed mathematical model that describes the mechanism and kinetics of the cathode process, mass transfer of metal ions and ultradispersed diamond particles. A satisfactory correlation with experimental data was obtained. The contribution of the thermal action of laser radiation to the intensification of the process of co-deposition of dispersed particles and metal ions was determined. It was found that the more intense penetration of dispersed phase particles into the forming coating during the laser stimulation of the electrodeposition process is due to the presence of a temperature gradient, which provides an additional supply of metal ions in the irradiation region. Based on the theoretical and experimental studies, we established the regularities of the influence of the number and size of nanoparticles on the strengthening properties of composite metal coatings. It was found that an increase in the temperature of an aqueous electrolyte solution in the cathode region during a laser-stimulated deposition process leads to an increase in the flux density of ultradispersed diamond particles, and, as a result, to an increase in the concentration of the dispersed phase in nickel composite coatings, which contributes to the formation of a finer crystalline structure of coatings, an improvement in adhesion, strength properties and increased wear resistance of coatings.
Adhesion Strength of Electrodeposited Ni, Zn, and Fe Coatings with Copper Substrates
(Taylor & Francis Online, 2022) Shtapenko, Eduard Ph.; Zabludovsky, Vladimir A.; Tytarenko, Valentyna V.
ENG: This paper presents the adhesive strength values of electrodeposited nickel, zinc, and iron coatings on copper substrates at various deposition parameters, including laser-assisted stimulation of the deposition process. One of the factors determined to be responsible for the adhesive strength of metal films with a metal substrate is the formation of a diffusion zone at the ‘coating-substrate’ interface. It is shown that an increase in adhesive strength is achieved due to the expansion of the diffusion zone and the formation of solid solutions. The decrease in adhesive strength at high overpotentials is associated with the release of hydrogen and the formation of intermediate phases.
Photoinduced Effects in Single Crystals of PbO-MoO3 System
(Institute of Physics PAS, Poland, 2022) Bochkova, Tatiana; Bondar, Dmytro; Trubitsyn, Mykhailo P.; Volnianskii, M. D.; Volnyanskii, Dmytro M.
ENG: Purpose. Photoinduced changes in the optical absorption and dielectric properties of PbMoO4 and Pb2MoO5 crystals are considered. Differences in the manifestation of the photochromic effect in both crystals are associated with differences in their crystal structure. It is assumed that the photodielectric effect in the PbMoO4 and Pb2MoO5 crystals is due to the presence of the same anionic complexes. Methodology. Single crystals of PbMoO4 and Pb2MoO5 were grown in air from melt by the Czochralskii method. High-temperature treatment of the PbMoO4 crystals in air was carried out in a muffle furnace at 1200 K. The annealing time in the experiments varied from 2 to 90 h. Annealing of Pb2MoO5 crystals in vacuum was carried out at 1000 K during 1–2 h. The optical transmission spectra were measured at 295 K on the crystal doubly polished plates using a “Specord M-40” spectrophotometer. The photochromic coloration was observed after irradiation by light of Hg lamp during 2–5 h. Colored samples were returned to the initial state by annealing at 700–800 K in air for 2 h. Permittivity " was measured in the AC field by the four-wire method using a Keysight E4980AL LCR Meter at different frequencies (f = 1–10 kHz) in the temperature interval 290–700 K. Findings. One can assume that the photodielectric effect has the same nature and can be attributed for the common for both PbMoO4 and Pb2MoO5 crystals coordination complexes, i.e., molybdenum–oxygen tetrahedra. The dipole defects contributed to the photodielectric effect can be associated with Mo–O tetrahedra distorted by oxygen vacancy and photoelectrons capture. Hopping of VO through Mo–O tetrahedra vertices is accompanied by re-orientations of dipole moments of (MoO3)- complexes. Originality. Photoinduced changes in optical absorption and dielectric properties of PbMoO4 and Pb2MoO5 crystals are considered. The model of the mechanism of such changes of the power is offered. Practical value. The obtained conclusions will help to predict the influence of the composition of single crystals of acousto-optical materials of this series on their properties of practical value - optical absorption, optical stability..
Кінетичні закономірності формування композиційних електролітичних покриттів, що містять частинки ультрадисперсного алмазу
(Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Україна, 2022) Титаренко, Валентина Василівна; Заблудовський, Володимир Олександрович; Штапенко, Едуард Пилипович; Титаренко, Ігор Валерійович
UKR: Сформульована задача сумісного електролітичного осадження іонів металу та частинок ультрадисперсного алмазу в металеву матрицю. Розроблено математичну модель, що описує механізм та кінетику катодного процесу, масоперенесення іонів металу та частинок ультрадисперсного алмазу. Отримано задовільну кореляцію з експериментальними даними. Визначено внесок теплової дії лазерного випромінювання в інтенсифікацію процесу співосадження частинок дисперсної фази та іонів металу. Встановлено, що більш інтенсивне проникнення частинок дисперсної фази у покриття, що формується у процесі стимуляції процесу електроосадження лазерним випромінюванням, обумовлене присутністю температурного градієнту, що забезпечує додаткове підведення іонів металу в області опромінювання. На підставі теоретичних та експериментальних досліджень встановлено закономірності впливу кількості та розміру наночастинок на зміцнюючі властивості композиційних металевих покриттів. Встановлено, що підвищення температури водного розчину електроліту у прикатодній області при лазерно-стимульованому процесі електроосадження призводить до збільшення густини потоку частинок ультрадисперсного алмазу, та, як наслідок, до збільшення концентрації дисперсної фази у нікелевих композиційних покриттях, що сприяє формуванню більш дрібнокристалічної структури покриттів, поліпшенню міцності, адгезійних властивостей та підвищенню зносостійкості покриттів.
Methodology for Modeling the Spread of Radioactive Substances in Case of an Emergency Release at a Nuclear Power Plant
(National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Kharkiv, 2023) Levchenko, Larysa; Biliaiev, Mykola M.; Biliaieva, Viktoriia V.; Ausheva, Nataliia; Tykhenko, Oksana
ENG: The methodology for modeling the propagation of accidental releases of radionuclides from a power unit of a nuclear power plant has been developed. The calculation method takes into account the most critical factors propagation cloud - wind direction and speed, the intensity of the release radionuclides change: semi-continuous release, long-term release, instantaneous release. Diffuse processes and the presence of interference in the form of buildings were also taken into account. To solve the modeling equation of the aerodynamic model, the velocity potential equation is solved. The use of this equation instead of the traditional Novier-Stokes equation makes it possible to rationalize the calculation process in terms of the speed obtaining simulated data. To build a numerical model, a rectangular difference grid is used. The velocity potential and the quantities values of volumetric activity are determined at the centers of difference cells. The value of the airflow velocity vector component is determined on the sides of the difference cells. A finite-difference splitting scheme is used for numerical integration of the equation convective-diffusion transfer radionuclides. A computer code was developed on the basis of the constructed numerical model, the programming language Fortran was used. The approach used makes it possible to reduce the time for obtaining one scenario of an accident development. The cloud propagation dynamics determining is carried out almost in real time. This allows you to quickly respond to changing situations and make adequate decisions.
Експрес-розрахунок кисневого режиму в очисних спорудах
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, Ukraine, 2023) Біляєв, Микола Миколайович; Машихіна, Поліна Борисівна; Татарко, Лариса Гаврилівна; Чірков, А. О.; Чирва, М. В.
UKR: Постановка проблеми. Ефективність біологічного очищення води суттєво залежить від концентрації розчинного кисню в об’ємі біореактора. Але під час роботи біореакторів кисневий режим змінюється, тому важливо прогнозувати концентрацію кисню для різних режимів експлуатації очисних споруд. Для розрахунку кисневого режиму використовуються спрощені математичні моделі, але такі моделі розроблені для типових біореакторів. Важливим завданням стало розроблення ефективних багатофакторних чисельних моделей для оцінювання кисневого режиму в реакторах різної геометричної форми, що відрізняються від «класичних». Мета роботи − розроблення CFD-моделі для оперативного оцінювання кисневого режиму в біореакторах. Методика. Для математичного моделювання кисневого режиму в біореакторі використовується двовимірне рівняння масопереносу, що враховує місце подачі кисню від аератора, розташованого у споруді, гідродинаміку течії в біореакторі, процес дифузії. Для розв’язання гідродинамічної задачі використано модель потенціального руху. Чисельне інтегрування моделювальних рівнянь здійснюється шляхом використання скінченно різницевих схем розщеплення. На кожному кроці розщеплення різницеві рівняння розв’язуються за допомогою явних схем. Це дозволяє просту комп’ютерну реалізацію чисельної моделі. Наукова новизна. Розроблено багатофакторну двовимірну CFD-модель, що дозволяє швидко оцінити кисневий режим у біореакторі, який використовується для очищення стічних вод. Практична значущість. Розроблена CFD-модель та комп’ютерний код можуть бути використані на етапі проектування або реінжинірингу біореакторів з метою пошуку оптимального розташування в споруді аераторів. Висновки. Здійснено програмну реалізацію розробленої чисельної моделі. Наведено результати обчислювального експерименту із дослідження процесу очищення стічних вод у відстійнику.
Identifying Regularities in the Propagation of Air Ions in Rooms with Artificial Air Ionization
(PC TECHNOLOGY CENTER, 2023) Levchenko, Larysa; Burdeina, Nataliia; Glyva, Valentyn; Kasatkina, Natalia; Biliaiev, Mykola M.; Biliaieva, Viktoriia V.; Tykhenko, Oksana; Petrunok, Tetiana; Biruk, Yana; Bogatov, Oleg
ENG: The object of the study is the dynamics of air ion spread in rooms from the source of artificial air ionization under different starting conditions. There is currently the problem of distribution of air ions in the room with regulatory concentrations in all critical zones. An effective method of ensuring proper air ion concentrations is to model their propagation from ionization sources. Existing approaches to calculating the dynamics of air ions of both polarities have been improved in this study. Unlike known solutions, the impact on their concentration of electrostatic field and the interaction of air ions with suspended particles was taken into account. A model of air ion propagation in rooms with artificial air ionization and the principles of its numerical modeling was built. The use of Laplace Equation in the aerodynamic model instead of the Navier-Stokes equation for the potential of the flow rate has made it possible to design an "Ion 3D" tool, which reduces the time of implementation of one scenario from several hours to 7 seconds. Modeling of the propagation of air ions of both polarities in the room under different initial conditions was carried out. Two-dimensional and three-dimensional models with their visualization was implemented. The peculiarity of the resulting models is that they make it possible to determine the concentrations of air ions in any section of the room by three coordinates. Given this, the rapid selection of the variants of the source data makes it possible to achieve the normative values of concentrations of air ions in the area of breathing – exceeding 500 cm-3 of each polarity. Simulation makes it possible to design a room in which, under the condition of artificial ionization of air, the concentrations of air ions close to the optimal values of 3000–5000 cm-3 are provided.
Дослідження ефективності використання захисних екранів різної форми для зниження забруднення повітря
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, 2023) Біляєв, Микола Миколайович; Берлов, Олександр Вікторович; Біляєва, Вікторія Віталіївна; Козачина, Віталій Анатолійович; Якубовська, З. М.
UKR: Постановка проблеми. Розглядається задача оцінювання ефективності використання захисних екранів різної геометричної форми для зниження рівня забруднення повітря. Такі екрани дозволяють змінити аеродинаміку повітряного потоку та перенаправити рух забрудненого повітря від робочих зон в інший бік. Мета роботи − дослідження ефективності використання захисних екранів різної геометричної форми для зниження рівня забруднення, створення тривимірної числової моделі для аналізу ефективності використання захисних екранів. Методика. Для аналізу ефективності екранів різної геометричної форми застосовується метод фізичного експерименту в лабораторних умовах. Для математичного моделювання поширення домішки за наявності екранів використовуються тривимірні рівняння аеродинаміки та масопереносу. Розроблена числова модель дозволяє врахувати профіль швидкості повітряного потоку, атмосферну дифузію, інтенсивність емісії домішки, швидкість гравітаційного осадження домішки в повітрі. Для числового інтегрування моделювальних рівнянь аеродинаміки та масопереносу використовуються скінченнорізницеві схеми розщеплення. Наукова новизна. Експериментальним шляхом отримано дані щодо ефективності використання чотирьох захисних екранів, які відрізняються геометричною формою. Експериментальні дані дають можливість здійснити первинне оцінювання впливу різних екранів на зниження рівня забруднення в робочих зонах. Розроблена швидкорозрахункова 3D числова модель для розв’язання задач аеродинаміки та масопереносу стосовно проблеми оцінювання ефективності використання екранів у зонах, де має місце забруднення атмосферного повітря. Практична значимість. Експериментальні дані дають можливість обґрунтувати вибір захисного екрана біля автотраси або іншої ділянки на промисловому майданчику, де має місце емісія домішки. На базі розробленої математичної моделі створено комп’ютерний код, що дозволяє прогнозувати інтенсивність забруднення повітря за наявності перешкод, які змінюють аеродинаміку та напрям переносу домішки в атмосфері. Висновки. Результати фізичного експерименту дозволяють уявити закономірності формування областей забруднення біля захисних екранів різної геометричної форми. Розроблена математична модель дозволяє оцінювати забруднення повітря в областях, де є перешкоди на шляху руху домішки. Наведено результати фізичного та обчислювального експериментів.
Simulation of the Structure of Chromium Carbide in the Research of Amorphous Alloys
(Dnipro State Technical University, Kamianske, Ukraine, 2023) Kruglyak, Irina; Baskevich, Oleksandr; Gulivets, Alexey; Maksimenko, Oleg
ENG: Work are considered theoretical aspects of modeling amorphous and nanocrystalline alloys of transition metals and metalloids. Modeling of the close order of amorphous Cr–C alloys obtained by the electrodeposition method was carried out, depending on the current density and temperature of the electrolyte. The dependence between the production conditions and the close order of amorphous alloys was established. A technique for deciphering the radial distribution function of atoms (RDF) based on the concept of the cluster structure of amorphous metals has been developed. Modeling of the close order of amorphous Cr–C alloys was carried out using the approximation of the peaks of FRPA atoms, which are characteristic of the amorphous Ni86P14 alloy. The structure of electrodeposited Cr–C precipitates at different values of current density and electrolyte temperatures was investigated. It was established that the structure of the material is amorphous, and the sizes of the oriented random regions (ORA) vary from 3.6 to 5 nm. The lattice parameters of the samples increase slightly, which is associated with a change in the amount of carbon. The volume of the sediment consists of ORA, the shape of which is close to cuboctahedra, and the volume fraction decreases with an increase in the temperature of the electrolyte.
Assessment of Radioactive Contamination Level of Environment in Case of Accident at Nuclear Power Plant
(IOP Publishing Ltd, 2023) Biliaiev, Mykola M.; Rusakova, Tetiana I.; Dziuba, Serhii V.; Lapshin, Yevhen; Koval, Natalia
ENG: The accidents at nuclear power plants pose a particular threat to the population and the environment. Accidental emissions at nuclear power plants can cause long-term radioactive pollution of the environment, and the elimination of such pollution can take years. For practice, it is very important to predict the intensity and size of radioactive contamination zones for various scenarios of extreme situations at the nuclear power plants. Such a forecast will identify the most vulnerable areas and develop a response strategy to the situation that has arisen. A numerical model has been built that allows to quickly predict the scale of radioactive contamination of the territory during an emergency release at a nuclear power plant. The model is based on the application of implicit difference schemes for the numerical integration of the equation of convective-diffusion transport of impurities in the atmosphere. The developed model is characterized by the calculation speed. The results of the computational experiment are presented.
Адгезійна міцність електроосаджених металевих плівок з металевими підкладками
(Дніпровський національний університет ім. Олеся Гончара, Дніпро, Україна, 2023) Штапенко, Едуард Пилипович; Воронков, Євген Олегович; Заблудовський, Володимир Олександрович; Титаренко, Валентина Василівна; Краєва, Віолетта С.; Кузнецов, Віталій Миколайович
UKR: У роботі розглянуто адгезійну міцність електроосаджених покриттів нікелю, заліза, міді та цинку на мідній та сталевій підкладках. Для визначення теоретичних значень адгезійної міцності запропоновано теоретичний підхід до визначення адгезійної міцності на межі метал-метал. Авторами на основі аналізу механізму адгезії і природи контактної взаємодії отримано аналітичний вираз для розрахунку значень адгезійної міцності для певних пар металів, проте знаходження точного значення ряду величин, що входять у цей вираз, наприклад, питомої енергії зв'язку та модуля пружності, становить великі труднощі. Розрахунок енергії взаємодії атомів покриття та підкладки проводили за методом теорії функціоналу густини. У результаті було отримано теоретичні значення адгезійної міцності електроосаджених покриттів нікелю, заліза, міді та цинку на мідній та сталевій підкладках, які добре узгоджуються з експериментальними значеннями адгезійної міцності. Однак, існуючі розбіжності між теоретичними та експериментальними даними викликані певними труднощами знаходження питомої енергії зв'язку та модуля пружності, які пов'язані зі складністю моделювання реальної структури як плівки, так і підкладки. Пошуки вирішення цих питань стануть предметом подальших досліджень.
Modeling Influence of TiO2 Barrier Coating on Pollutant Dispersion Near Road
(Kaunas University of Technology, 2023) Biliaiev, Mykola M.; Berlov, Oleksandr V.; Biliaieva, Viktoriia V.; Kozachyna, Vitalii A.; Kozachyna, Valeriia; Yakubovska, Zinaida M.
ENG: Mitigation strategies for near-road air pollution are of great interest nowadays. Sound barriers near the road are very effective to decrease pollutant concentration. The use of titanium dioxide (TiO2) barrier coating provides additional effect which allows to decrease pollutant concentration near road. In this study quick- computing CFD model was developed to access influence of TiO2 barrier coating on pollutant concentration. To simulate wind flow over barrier with TiO2 coating model of potential flow was used. The process of NOx dispersion from car was computed using mass conservation equation. Finite-difference schemes were used for numerical integration of governing equations. The computer code was developed on the basis of proposed numerical model. Results of numerical simulations are presented.
Simulation of Chemical Accident with Ammonia at the Pipe Line
(Kaunas University of Technology, 2023) Biliaiev, Mykola M.; Berlov, Oleksandr V.; Biliaieva, Viktoriia V.; Kozachyna, Vitalii A.; Kozachyna, Valeriia; Mashykhina, Polina B.
ENG: Ammonia is transported through Ukraine via the Togliatti-Odesa ammonia pipeline. The hostilities in Ukraine pose a risk of damage to this transportation system as a result of a shell, mine, etc. hitting the transportation system. Therefore, it is very important to predict the possible consequences of environmental pollution in the event of such an extreme situation. A numerical model was developed to solve this problem. The three-dimensional equation of convective-diffusive transport of an impurity in the atmosphere is used to predict the dynamics of pollution of atmospheric air and the underlying surface. Finite-difference splitting schemes are used to numerically integrate this equation. On the basis of the constructed numerical model, a computer code was developed to take into account the change in the intensity of ammonia leakage from the damaged pipeline. The results of a computational experiment are presented.
Оцінювання впливу об’єкта енергетики на забруднення навколишнього середовища
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, Ukraine, 2023) Біляєва, Вікторія Віталіївна; Губін, О. І.; Машихіна, Поліна Борисівна; Усенко, Андрій Юрійович; Тимошенко, Л. О.
UKR: Постановка проблеми. Розглядається задача оцінювання впливу котельної на забруднення атмосферного повітря. Таке оцінювання дуже важливе у разі розташування котелень поблизу селитебних зон. Оскільки метеоумови для кожного регіону характеризуються зміною напряму вітру, інтенсивністю атмосферної дифузії, появою штилю, важливо мати інформацію про формування зон забруднення в селитебних зонах. Для розв’язання даної задачі дуже важливе використання математичного моделювання, тому що наразі неможливо створити достатню кількість постів спостереження біля об’єктів паливно-енергетичного комплексу. Мета роботи − чисельний аналіз впливу котельної на інтенсивність забруднення атмосферного повітря за різних метеоумов. Методика. Для оцінювання зон забруднення, що формуються в атмосферному повітрі під час викиду з труби котельні, використовується 3D-рівняння конвективно-дифузійного переносу. Модель враховує атмосферну стратифікацію, інтенсивність емісії домішки, профіль вітру, швидкість вітру. Чисельне інтегрування рівняння конвективно-дифузійного переносу домішки здійснюється за допомогою скінченно різницевих схем. Моделювальне рівняння розщеплюється на рівняння конвективного переносу забруднювальної речовини та рівняння розсіювання забруднювальної речовини шляхом атмосферної дифузії. Окремо розв’язується рівняння, що описує зміну концентрації домішки в атмосферному повітрі внаслідок викиду забруднювальної речовини з труби. На наступному етапі будуються скінченно різницеві схеми, що дозволяють розв’язати рівняння розщеплення. Наукова новизна. На базі побудованої чисельної моделі визначені зони забруднення атмосферного повітря під час викиду СО з труби котельні. Запропонована чисельна модель дозволяє прогнозувати забруднення атмосферного повітря для різних метеоумов у рамках одного пакета програм. Практична значущість. Розроблено комп’ютерний пакет програм на базі запропонованої чисельної моделі, що дає можливість здійснювати аналіз зон хімічного забруднення атмосферного повітря, які формуються під час викиду домішки з труби котельні за різних метеоумов. Висновки. На базі запропонованої чисельної моделі здійснено прогнозування зон хімічного забруднення атмосферного повітря в селитебній зоні, в якій розташовується котельня. Наведено результати обчислювального експерименту.
Прогнозування радіоактивного забруднення атмосферного повітря у разі екстремальної ситуації на АЕС
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, Ukraine, 2023) Біляєв, Микола Миколайович; Берлов, Олександр Вікторович ; Біляєва, Вікторія Віталіївна ; Козачина, Віталій Анатолійович; Машихіна, Поліна Борисівна
UKR: Постановка проблеми. Розглядається задача оцінювання рівня радіоактивного забруднення атмосферного повітря у разі виникнення екстремальної ситуації на території Запорізької АЕС, що спричинює миттєвий радіоактивний аерозольний викид. Здійснюється аналіз динаміки формування зон радіоактивного забруднення за напряму вітру в бік м. Нікополь. Для оперативного розв’язання даної прогнозної задачі потрібне створення багатофакторної чисельної моделі, що дозволяє оперативно аналізувати розміри та інтенсивність областей радіоактивного забруднення. Мета роботи –створення чисельної моделі та комп’ютерного коду для оперативного аналізу областей радіоактивного забруднення, що формуються за миттєвого викиду радіоактивних забруднювачів в атмосферу. Методика. Комп’ютерний код створений на базі чисельної моделі, що є різницевим аналогом багатофакторного кінематичного рівняння масопереносу радіоактивної домішки в атмосферному повітрі. Рівняння масопереносу враховує поле швидкості вітру, атмосферну турбулентну дифузію, інтенсивність викиду радіоактивної речовини в повітря. Для чисельного інтегрування рівняння масопереносу застосовується метод розщеплення з наступним використанням скінчено різницевих схем. Обчислення значення величини об’ємної активності на кожному кроці розщеплення реалізується за явною формулою. Наукова новизна. Розроблено ефективну чисельну модель та здійснено її програмну реалізацію для оперативного аналізу формування областей радіоактивного забруднення в атмосфері за екстремальної ситуації на АЕС, що супроводжується емісією радіоактивних речовин. Модель враховує комплекс факторів, що впливають на процес поширення радіоактивної домішки в атмосфері. Практична значущість. Розроблено комп’ютерний код для розрахунку динаміки формування зон радіоактивного забруднення в атмосфері на базі розробленої чисельної моделі. Це дозволяє методом обчислювального експерименту аналізувати наслідки аварійних викидів на території АЕС. Висновки. Створено математичну модель для оперативного аналізу рівня радіоактивного забруднення атмосферного повітря внаслідок екстремальної ситуації на АЕС, що спричинює інтенсивний миттєвий викид радіоактивних речовин. Наведено результати обчислювального експерименту на базі розробленої чисельної моделі.
Experimental Study of the Intensity of Coal Dust Removal
(Prydniprovs'ka State Academy of Civil Engineering and Architecture, Dnipro, Ukraine, 2023) Biliaiev, Mykola M.; Berlov, Oleksandr V.; Brazaluk, Yuliia V.; Kozachyna, Vitalii A.; Oladipo, Mutiu Olatoye
ENG: Problem statement. Industrial sites where coal storages are located are intensive sources of dust pollution of the environment. There is an important problem of assessing the intensity of dust removal into the atmospheric air from polluted areas. Knowledge of the intensity of dust removal into the atmospheric air makes it possible to scientifically assess the impact of contaminated sites on the pollution of the environment and work zones at industrial sites. The solution to this problem can be obtained experimentally. The purpose of the article. An experimental study of the value of the air flow velocity at which the detachment of dust particles from the surface with coal begins and their removal into the air and the determination of the intensity of the emission of coal dust from the contaminated surface. Methodology. The intensity of removal of coal dust from the contaminated area was studied experimentally in laboratory conditions. The research was conducted on coal samples from DTEK “Pavlohradvuhillya”, grade “ДГ. During the research, the velocity of the air flow at which the process of movement of dust particles along the emission source began and the velocity of “detachment” of dust particles and their removal from the emission source were determined. At the second stage of experimental research, the intensity of removal of coal dust from the polluted area was determined. Scientific novelty. The values of the air velocity at which the removal of coal dust particles from the contaminated area begins were determined experimentally. The regularity of the intensity of the removal of coal dust depending on the velocity of the air flow over the contaminated area was obtained. Practical significance. The obtained experimental data make it possible to determine under which weather conditions there is a risk of dust formation and the removal of dust into the atmosphere. The empirical dependence obtained by processing experimental data can be used for a scientifically based assessment of the level of pollution of working areas at industrial sites where there are coal storage facilities. Conclusions. The value of the velocity of the air flow at which the movement of dust particles on the contaminated surface begins, as well as the value of the velocity of the air flow at which the removal of dust particles into the air begins, was determined experimentally. The resulting empirical model can be used to estimate environmental damage due to dust pollution of atmospheric air.
Numerical Analysis of Aerodynamic Regime Near Tailings Storage Facility
(IOP Publishing Ltd, 2023) Semenenko, Yevhen; Medvedieva, Olha O.; Biliaiev, Mykola M.; Rusakova, Tetiana I.; Blyuss, Konstantin
ENG: Tailings formed during the mining and beneficiation of iron ore are sources of intensive dust generation. In order to assess the intensity of dust formation and determine the effectiveness of methods of its reduction, it is necessary to know the local velocity of the air flow near the various surfaces of the tailings storage facility. For the theoretical solution of this problem, a CFD model was developed, which allows determining the velocity field of the air flow when flowing around the tailings storage facility. The model allows you to obtain the value of the wind speed near the surfaces of the structure and, based on this information, to make a forecast of possible dust formation. The constructed CFD model is based on the use of an aerodynamic model of potential motion. The modeling equation is the Laplace equation for the velocity potential. To build a numerical model, the idea of establishing a solution in time is used, therefore numerical integration of the "unsteady equation" for the velocity potential is carried out. Numerical integration is carried out using the finite-difference method of total approximation. The results of the computational experiment are presented.
Simulation of the Formation of Protective Coatings using the Radial Distribution Function of Atoms
(Dnipro State Technical University, Kamianske, Ukraine, 2023) Sereda, Borys; Baskevich, Oleksandr; Gulivets, Alexey; Udod, Andrey
ENG: Studies of the structural factors of alloys, carried out using wide-angle and small-angle X-ray studies, allowed us to identify general patterns for various alloys. The use of apodization of the Fourier distribution of X-ray diffraction (XRD) contributes to the leveling of the effect of the break in the experimental intensity curve and facilitates close-order modeling. It was established that the height of the main peak of the structural factor decreases, and the position slightly shifts towards larger angles when the arrangement of alloys increases. The second maxima of the structural factor have an asymmetric shape, which varies depending on the conditions for obtaining the alloys. As the amount of phosphorus in the alloys decreases, the relief and height of the peaks increase. It was found that the diversity of the close order of the alloys is related to the deposition conditions, in particular, to a large value of the overvoltage at the cathode and the penetration of phosphorus atoms into the structure of the alloys. The obtained modeling results allow us to establish the conditions for the formation of close order in alloys and expand our understanding of the structural features of materials.
Математичне моделювання нестаціонарного процесу забруднення повітря
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, 2023) Біляєв, Микола Миколайович; Біляєва, Вікторія Віталіївна; Берлов, Олександр Вікторович; Козачина, Віталій Анатолійович; Якубовська, З. М.
UKR: Постановка проблеми. Розглядається задача визначення динаміки забруднення повітря в робочому приміщенні під час затікання в нього повітря, що містить хімічно небезпечну речовину. Особливість даної задачі полягає в тому, що на формування областей забруднення в приміщенні впливають багато факторів, особливо внутрішня геометрія (наявність технологічного обладнання в приміщенні, меблі тощо). Тому потрібно мати спеціалізовані математичні моделі, що дозволяють прогнозувати рівень хімічного забруднення повітря в приміщенні заданого типу забруднення. Мета–розроблення тривимірної чисельної моделі аеродинаміки повітряного потоку в приміщенні та масопереносу хімічно небезпечної речовини, що потрапляє в приміщення крізь систему вентиляції, для прогнозування ризику токсичного ураження працівників. Методика. Для моделювання процесу поширення хімічно небезпечної речовини в повітрі робочого приміщення використовується тривимірне рівняння конвективно-дифузійного переносу хімічно небезпечної речовини. Поле швидкості повітряного потоку в робочому приміщенні розраховується на базі моделі потенціального руху нестислої рідини. Для чисельного інтегрування рівняння Лапласа для потенціалу швидкості використовуються дві скінченнорізницеві схеми. Для чисельного інтегрування тривимірного рівняння масопереносу домішки застосовуються метод розщеплення та скінченнорізницеві схеми. На кожному кроці розщеплення невідоме значення концентрації домішки обчислюється за явною формулою. Для проведення обчислювальних експериментів на базі розробленої чисельної моделі створено комп’ютерний код. Наукова новизна. Розроблено тривимірну чисельну модель для аналізу динаміки формування областей хімічного забруднення повітря в робочих приміщеннях у разі потрапляння домішки в приміщення скрізь систему вентиляції. Особливість моделі –врахування основних фізичних факторів, що впливають на формування областей забруднення та швидкість розрахунку. Практична значущість. Чисельна модель та комп’ютерний код, розроблений на її основі, дозволяють розв’язувати специфічні задачі, що виникають під час оцінювання ризику токсичного ураження працівників на хімічно небезпечних об’єктах. Висновки. Створено ефективну тривимірну чисельну модель та комп’ютерний код, що дозволяють прогнозувати рівень хімічного забруднення робочих приміщень за потрапляння токсичної речовини в приміщення крізь систему вентиляції. Наведено результати обчислювального експерименту.
Моделювання гідродинаміки ґрунтових вод на підтоплених територіях
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, 2023) Біляєв, Микола Миколайович; Козачина, Віталій Анатолійович
UKR: Постановка проблеми. Розглядається задача розрахунку динаміки ґрунтових вод на підтопленій території за роботи локального дренажу. Складність розв’язання даної задачі полягає в тому, що за наявності забудови на підтопленій території неможливо використовувати існуючі нормативні методики для розрахунку дренажу. Тому виникає потреба розроблення спеціалізованих математичних моделей для оцінювання зміни, з часом, рівня ґрунтових вод на підтопленій території. Мета роботи − розроблення чисельної багатопараметричної моделі та створення на її базі комп’ютерного коду для прогнозування зміни рівня ґрунтових вод та рівня забруднення підземного водоносного шару за роботи дренажу на підтопленій території. Методика. Для розрахунку динаміки ґрунтових вод за роботи водознижувальних свердловин використовується рівняння фільтрації для безнапірного підземного потоку. Для розрахунку концентрації домішки в ґрунтових водах за роботи дренажної системи використовується двовимірне рівняння масоперносу, що враховує конвективний перенос домішки та перенос домішки за рахунок дисперсії. Для чисельного інтегрування рівняння фільтрації безнапірних підземних вод використовується локально-одновимірна скінченорізницева схема розщеплення. Для чисельного інтегрування рівняння масопереносу домішки в ґрунтових водах за роботи дренажу використовується скінченорізницеві схеми розщеплення. Наукова новизна. Розроблена ефективна чисельна модель дозволяє прогнозувати зміну рівня ґрунтових вод під час роботи локального дренажу. Модель також дозволяє прогнозувати рівень забруднення ґрунтових вод за роботи дренажу. Практична значимість. На базі розробленої чисельної моделі розроблено комп’ютерний код, орієнтований на розв’язання комплексу прикладних задач, що пов’язані з проектуванням систем локального дренажу на підтоплених територіях. Висновки. Розроблені чисельна модель та комп’ютерний код дозволяють оцінювати динаміку зміни рівня ґрунтових вод та інтенсивність їх забруднення за роботи локального дренажу. Наведені результати обчислювального експерименту.
Study of the Short-Range Order of Co-W Alloys Electrodeposited Using Pulse Current
(Vasyl Stefanyk Precarpathian National University, 2023) Gerasimenko, Dmitriy; Tytarenko, Valentina V.
ENG: Pulsed electrodeposition modes allowed to obtain amorphous Co-W alloys. Using X-ray phase and spectral analysis methods, it was established that the deposition modes and the concentration of the amorphizing component (sodium tungstate salts) in an aqueous electrolyte solution affect the amorphization of alloys. The short-range atomic order was studied by X-ray diffraction analysis and the sizes of the regions of ordered arrangement of atoms were determined in X-ray amorphous Co-W alloys obtained by pulsed electrodeposition. The radial distribution function of atoms was analysed. The assumption is made that cobalt and tungsten atoms combine into configurations that are irregular polyhedrons.
Квантово-механічне моделювання взаємодії частинок ультрадисперсного алмазу з йонами нікелю
(Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна, 2023) Титаренко, Валентина Василівна; Заблудовський, Володимир Олександрович
UKR: Методом електроосадження з водного розчину електроліту нікелювання, що містить частинки ультрадисперсного алмазу (УДА), отримані металеві композиційні покриття. Результати досліджень катодних поляризаційних залежностей свідчать про збільшення опору перенесення заряду через можливу адсорбцію йонів металу на поверхні частинок УДА. Для встановлення механізму співосадження йонів металу та частинок УДА автори запропонували квантово-механічну модель формування металовуглецевого комплексу йонів нікелю з коміркою кристалічної ґратки алмазу, що відповідає точковій групі симетрії $m3m$ ($4/m$ $-3$ $2/m$). Методом теорії функціонала густини з використанням гібридного функціонала B3LYP досліджено адсорбційні властивості атомів нікелю з коміркою алмазу. Запропоновано моделі комірки алмазу з одним, двома та трьома зв'язаними йонами металу. Розрахунки енерґій зв'язку виконані з використанням пакета програм GAUSSIAN 09. Результати розрахунків енерґії зв'язку адсорбованих йонів нікелю з коміркою алмазу показали, що у водному розчині електроліту можлива адсорбція йонів нікелю на поверхні частинок УДА з утворенням стабільних комплексів метал-вуглецевий наноматеріал. За послідовного приєднання одного та двох йонів металу до комірки алмазу енерґія зв'язку зменшується від 0.200 еВ до 0.126 еВ. Три і більше йони нікелю не утримуються на поверхні кристалічної ґратки алмазу, оскільки їхня енерґія зв'язку менша від енерґії теплового руху 0.025 еВ. Металовуглецеві комплекси, що утворилися у водному розчині електроліту, унаслідок адсорбції атомів нікелю на поверхні частинок УДА, набувають позитивного заряду й рухаються до катода під дією електричного поля, створеного різницею потенціалів між анодом і катодом. Результати досліджень растрової електронної мікроскопії (РЕМ) поверхні та металографії торцевих шліфів електролітичних нікелевих покриттів підтверджують припущення щодо механізму сумісного осадження йонів металу та частинок УДА на катоді. Наявність частинок УДА в композиційному нікелевому покритті реєструється у вигляді темних включень.
Prediction of Atmospheric Air Pollution Near a Coal Stack in Adverse Weather Conditions
(IOP Publishing Ltd, 2023) Biliaieva, Viktoriia V.; Berlov, Oleksandr V.; Kozachyna, Vitalii A.; Nochvai, Volodymyr; Yakubovska, Zinaida M.; Oladipo, Mutiu Olatoye
ENG: Coal piles on the territory of enterprises are long-term sources of dust pollution of atmospheric air. Forecasting the level of dust pollution of the air for such objects is carried out, as a rule, for convection conditions. But during inversion, very high concentrations of dust can occur on industrial sites. The task of assessing the level of dust pollution of atmospheric air at an industrial site during dust emission in conditions of inversion from a coal stack is considered. A three-dimensional equation of convective-diffusion dispersion of contamination in atmospheric air, compatible with the approach of Prof. Berliand M. on determining the value of the vertical diffusion coefficient in the surface layer of the atmosphere for the case of inversion, to model dispersion of dust from a coal stack under inversion conditions is used. Numerical integration of the modeling equation of convective-diffusion transport of contamination is carried out on the basis of the splitting method compatible with the use of a locally one-dimensional finite-difference scheme. The results of a computational experiment to determine dust pollution zones at the Prydniprovsk thermal power station are presented.
Комп’ютерне 3D моделювання процесу очищення стічних вод у відстійнику
(Український державний університет науки і технологій, Дніпро, 2023) Біляєв, Микола Миколайович; Бразалук, Юлія Володимирівна; Кіріченко, Павло Сергійович; Машихіна, Поліна Борисівна; Коваленко, Антоній Станіславович
UKR: Мета. Відстійники широко використовують у технологічних схемах очищення стічних вод. Як правило, на практиці використовують відстійники, що мають горизонтальну форму. Але для підвищення ефективності очищення води в горизонтальному відстійнику можуть бути використані додаткові елементи, які розташовують у споруді в різних місцях. Під час реконструкції таких споруд або проєктування їх для нових підприємств потрібне оцінювання ефективності роботи відстійників за різних умов експлуатації. Для розв’язання цієї задачі важливу роль відіграють математичні моделі, зокрема проведення фізичних експериментів, що потребує значного часу на отримання результатів. У випадку математичного моделювання процесу очищення води у відстійнику потрібно розв’язати дві задачі: гідродинамічну задачу та задачу масопереносу. Основною метою статті є розробка 3DCFD-моделі для розрахунку поля концентрації домішки у відстійнику. Методика. Для комп’ютерного розрахунку процесу очищення стічних вод у відстійнику розраховано динамічну багатофакторну чисельну модель. Гідродинаміку потоку стічних вод у відстійнику розраховано на базі тривимірного рівняння для потенціалу швидкості (модель потенціального руху). Розрахунок поля концентрації домішки у відстійнику визначено шляхом чисельного інтегрування тривимірного рівняння масопереносу. Це рівняння враховує нерівномірність поля швидкості потоку у відстійнику, процес дифузії, гравітаційне осадження домішки у споруді. Чисельне інтегрування модельованих рівнянь здійснено шляхом використання скінченнорізницевих схем розщеплення. Результати. Здійснено програмну реалізацію побудованої математичної моделі. Наведено результати обчислювального експерименту з дослідження процесу очищення стічних вод у відстійнику з візуалізацією результатів розрахунків. Наукова новизна. Розроблено багатофакторну тривимірну CFD-модель, що дозволяє швидко оцінити ефективність роботи відстійника. Практична значимість. Запропонована CFD-модель може бути використана під час проведення розрахунків у випадку проєктування систем очищення стічних вод або для визначення ефективності очищення стічних вод за нових режимів експлуатації.
Heat Capacity of Thin Films at High Temperatures
(Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, Київ, 2023) Shtapenko, Eduard Ph. ; Syrovatko, Yuliya V.
ENG: The purpose of this paper is to develop a model, which allows determining the heat capacity of thin films at the temperatures comparable to and exceeding the Debye temperature. The model presented in the paper takes into consideration the anisotropy of vibrations of the corresponding bending waves and wave vibrations in the plane occurring with the decrease in the film thickness. Furthermore, the model is based on the quadratic dispersion law for bending wave vibrations in the normal direction of a thin film and the linear dispersion law for the wave vibrations in the film plane. In order to expand the existing model representations for the heat capacity of thin films at low temperatures, we used the Debye’s method in the integral expression for the free energy. We considered this approach earlier in the model representations of the heat capacity of anisotropic quasi-crystals. Our findings show that the thin-film heat-capacity dependence on the temperature has a maximum and exceeds the heat capacity of a bulk sample. This circumstance confirms the experimental data obtained earlier by other authors. Besides, according to the experimental data collected from the literature, heat capacity of the thin films rises, compared to values of the bulk sample, when the film thickness decreases. This factor is also reflected in the model under consideration, and the calculated dependence of the increase in thin films on the number of atomic layers correlates well with the experimental data. Therefore, the proposed model allows determining the heat capacity of thin films at the temperatures exceeding the Debye temperature with sufficient accuracy without experimental investigation.
Complex Diagnostics of Concrete Lining Technical Condition
(IOP Publishing Ltd, 2023) Skipochka, Serhii; Serhiienko, Viktor; Amelin, Volodymyr; Amelina, Larysa V.
ENG: The main use of concrete lining is mine and hydraulic engineering construction. The options of its use in underground structures and mining operations have been considered. The advantages of this lining during construction and operation have been reflected. A long service life of underground facilities with concrete lining in Ukraine has been noted. The typical defect types have been identified. The main reasons for defect formation have been reflected. The impact of natural factors on the deterioration of the lining has been researched. The possible consequences of the flaw growth have been reported. Limited opportunities for visual inspection of the concrete surface have been noted. The main areas of non-destructive test of linings have been analyzed. The basic set of methods and control devices have been established. Special features of monitoring with various methods have been indicated. The main requirements for the registration of primary data have been defined. Typical options of office data processing have been outlined. According to the processing results, the category of the technical condition of the lining is determined. Criteria for assessing the technical condition have been presented. Specific examples of complex examination of concrete lining have been provided.
Математична модель для оцінення ризику термічного ураження у випадку пожежі на об’єктах паливно-енергетичного комплексу
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, 2023) Біляєв, Микола Миколайович; Петренко, Володимир Дмитрович; Біляєва, Вікторія Віталіївна; Берлов, Олександр Вікторович; Тимошенко, Олена Анатоліївна
UKR: Постановка проблеми. Розглядається задача прогнозування теплового забруднення повітря та оцінки ризику термічного ураження людей під час пожежі на промисловому майданчику. Ставиться задача розрахувати3D температурних полів під час пожежі та на базі цього оцінити ризик термічного ураження людей. Мета – розроблення3D чисельної моделі для розрахунку теплового забруднення повітря та оцінення ризику термічного ураження працівників на промисловому майданчику під час пожежі. Методика. Для моделювання процесу теплового забруднення повітря на промисловому майданчику у разі виникнення пожежі використано тривимірне рівняння енергії. Для розрахунку поля швидкості повітряного потоку на промисловому майданчику застосовується тривимірне рівняння для потенціалу швидкості. Для чисельного інтегрування рівняння для потенціалу швидкості – метод розщеплення. Для чисельного інтегрування тривимірного рівняння енергії здійснюється його розщеплення на диференціальному рівні на два рівняння. Перше рівняння описує поширення температури внаслідок руху повітряних мас. Друге рівняння описує поширення температури внаслідок теплопровідності. Для чисельного інтегрування першого рівняння використовується змінно-трикутна різницева схема розщеплення. Для чисельного інтегрування другого рівняння –явна різницева схема. Наукова новизна. Побудована 3D чисельна модель, що дозволяє швидко розраховувати динаміку формування областей теплового забруднення повітря на промисловому майданчику та на базі цієї інформації прогнозувати ризик термічного ураження людей в робочих зонах на промисловому майданчику та базується на чисельному інтегруванні рівнянь аеродинаміки та теплопереносу. Модель дозволяє швидко розраховувати динаміку формування теплових зон на промисловому майданчику у випадку пожежі. Практична значущість. Розроблена модель дозволяє прогнозувати динаміку зміни температурних полів у повітрі, що виникають під час пожежі на промисловому майданчику. Чисельна модель може бути використана для визначення зон інтенсивного теплового забруднення та оцінення ризику термічного ураження працівників. Висновки. На базі розробленої3D чисельної моделі створено код для проведення обчислювального експерименту. Розроблений код дозволяє швидко розрахувати динаміку формування областей теплового забруднення повітря на промисловому майданчику під час пожежі. На основі отриманої інформації оцінюється ризик термічного ураження працівників. Наведено результати обчислювального експерименту.
Комплексне оцінювання зон забруднення за екстремальних ситуацій на енергетичних об’єктах
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, Ukraine, 2023) Біляєва, Вікторія Віталіївна; Калашніков, Іван Володимирович ; Берлов, Олександр Вікторович; Козачина, Віталій Анатолійович; Тимошенко, Олена Анатоліївна
UKR: Постановка проблеми. Розглядається задача прогнозування зон ураження за різних видів техногенного навантаження у випадку виникнення екстремальної ситуації на АЗС. Комплексне прогнозування включає визначення областей хімічного, теплового та механічного забруднення у разі виникнення екстремальної ситуації на АЗС. Мета роботи − розроблення теоретичного інструментарію та пакета програм для комплексного прогнозування зон хімічного, теплового та хімічного забруднення навколишнього середовища за виникнення екстремальної ситуації на АЗС. Методика. Для прогнозування зон хімічного, теплового та механічного забруднення навколишнього середовища за виникнення екстремальної ситуації на АЗС використовуються фундаментальні рівняння механіки суцільного середовища: для розрахунку зон хімічного забруднення − рівняння масопереносу; для визначення зон теплового забруднення атмосферного повітря − рівняння енергії; для розрахунку зон механічного забруднення використовується другий закон Ньютона. Інтегрування моделювальних рівнянь здійснюється чисельним шляхом. Створено спеціалізований пакет програм для комплексного прогнозування забруднення навколишнього середовища. Наукова новизна. Запропоновано спеціалізований пакет програм на базі розроблених чисельних моделей для оцінювання зон хімічного, теплового та механічного забруднення, що виникає у випадку екстремальної ситуації на АЗС. На основі розроблених чисельних моделей здійснено оцінювання комплексного забруднення навколишнього середовища за екстремальної ситуації на АЗС в м. Дніпро. Практична значущість. Розроблені чисельні моделі реалізовані у вигляді пакета прикладних програм, що має широкий робочий діапазон. Пакет програм орієнтований на розв’язання задач у галузі екологічної безпеки та охорони праці. Визначення зон хімічного, теплового та механічного забруднення довкілля за допомогою розробленого пакета програм буде важливим для розроблення ПЛАСу. Висновки. Створено ефективний інструмент теоретичного аналізу зон забруднення, що формуються за екстремальної ситуації на АЗС. Наведено результати обчислювальних експериментів.
Екстремальні ситуації на об’єктах паливно-енергетичного комплексу: оцінювання ризику ураження людини
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, 2023) Біляєв, Микола Миколайович; Берлов, Олександр Вікторович; Біляєва, Вікторія Віталіївна; Тимошенко, Олена Анатоліївна
UKR: Постановка проблеми. Розглядається задача оцінювання зон ураження людей у разі виникнення екстремальної ситуації на АЗС, розташованій в людному місці м. Дніпро. Здійснюється аналіз розмірів зон теплового забруднення повітря та зони можливого ураження людей у випадку розлітання уламків, через виникнення екстремальної ситуації на АЗС. Для розв’язання задач даного класу потрібна розробка спеціалізованих математичних моделей. Мета роботи – оцінювання ризику ураження людини від метальної дії уламків під час пожежі на АЗС у випадку виникнення екстремальної ситуації. Методика. Для аналізу зон ураження під час розльоту уламків використовується числова модель, що базується на інтегруванні другого закону Ньютона для руху матеріальної точки в повітрі. На базі даної числової моделі створено комп’ютерну програму. Для аналізу зон теплового забруднення під час пожежі на АЗС використовується числове інтегрування рівняння енергії, яке враховує швидкість руху повітряних мас, коефіцієнти температуропровідності, температуру повітря на місці пожежі. Наукова новизна. Розроблено ефективну числову модель для аналізу зон ураження від метальної дії уламків. Визначено зони ураження за можливої пожежі на АЗС в м. Дніпро. Практична значущість. Розроблено програму для розрахунку динаміки руху уламків у повітрі. Це дозволяє визначати зони ураження від метальної дії уламків різного розміру. Визначено зони теплового забруднення повітря, що дозволяють оцінювати ризик термічного ураження людей. Висновки. Розроблено ефективний інструмент аналізу ризику ураження людей уламками під час пожежі на АЗС. Наведено результати обчислювальних експериментів.
Експрес-розрахунок забруднення робочих зон біля транспортного коридору у випадку екстремальних ситуацій на залізниці
(Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпро, 2023) Біляєва, Вікторія Віталіївна ; Берлов, Олександр Вікторович; Козачина, Віталій Анатолійович; Тимошенко, Олена Анатоліївна; Полторацька, Вікторія Миколаївна
UKR: Постановка проблеми. Розглядається задача експрес-оцінювання областей забруднення атмосферного повітря в робочих зонах біля транспортного коридору в разі екстремальних ситуацій на залізниці, що спричинюють емісію хімічно небезпечних речовин. Мета роботи – розроблення чисельної моделі для швидкого аналізу областей забруднення атмосферного повітря в умовах конвекції. Методика. Для визначення областей забруднення атмосферного повітря, що формуються при екстремальних ситуаціях на залізниці у випадку емісії хімічно небезпечних речовин, застосовується тривимірне рівняння конвективно-дифузійного розповсюдження домішки в атмосфері. Враховується нерівномірний профіль вітру з висотою та залежність коефіцієнтів атмосферної дифузії від швидкості вітру. Для чисельного розв’язання тривимірного рівняння масопереносу домішки в атмосферному повітрі застосовуються скінченорізницеві схеми розщеплення. Наукова новизна. Розроблено ефективну чисельну модель для визначення областей забруднення повітря біля транспортного коридору у випадку викиду хімічно небезпечних речовин на залізниці. Практична значущість. На базі побудованої чисельної моделі розроблено комп’ютерну програму, що дозволяє оперативно розраховувати динаміку формування областей хімічного забруднення біля транспортного коридору в разі екстремальних ситуацій на залізниці. Висновки. Розроблено чисельна модель та комп’ютерний код, що дозволяють методом обчислювального експерименту оцінювати забруднення робочих зон біля транспортного коридору у випадку екстремальних ситуацій на залізниці. Побудована модель має широкий робочий діапазон та враховує найбільш суттєві фізичні фактори, що впливають на формування зон хімічного забруднення в повітрі. Наведено результати обчислювального експерименту.
Моделювання процесів фільтрації та тепломасопереносу в підземних водах
(Український державний університет науки і технологій, Дніпро, 2024) Біляєв, Микола Миколайович; Козачина, Віталій Анатолійович
Мета. Важливим інструментом розв’язання складних задач, які полягають в аналізі динаміки підземних вод і процесів тепломасопереносу в них під час дослідження їх забруднення від різних техногенних джерел у разі аварійних розливів хімічно небезпечних речовин тощо, є метод математичного моделювання. Основною метою статті є розробка комплексу математичних моделей для розрахунку процесу фільтрації безнапірних підземних вод, масопереносу домішки та процесу теплопереносу в підземних водах. Методика. Для прогнозування динаміки підземних вод використано двовимірне рівняння фільтрації у формі Буссінеска. Для моделювання процесів масопереносу в підземних водах використано двовимірне рівняння конвективно-дифузійного переносу домішки. Процес заморожування окремих ділянок підземного потоку змодельовано за допомогою рівняння Лапласа для потенціалу швидкості (розрахунок поля швидкості потоку в умовах геометрії, що змінюється з часом) та двовимірного рівняння теплопереносу в підземних водах. Для розв’язання моделювальних рівнянь динаміки підземних вод і тепломасопереносу використано скінченнорізницеві схеми. Результати. Побудовано комплекс математичних моделей для розрахунку процесу фільтрації безнапірних ґрунтових вод та їх хімічного забруднення. Проведений експеримент підтвердив адекватність побудованої чисельної моделі фільтрації безнапірного потоку підземних вод. Побудовано ефективну математичну модель, що дозволяє визначати температурні поля в підземних водах під час роботи свердловини, яку використовують для заморожування окремих ділянок потоку. Результати комп’ютерного моделювання свідчать про ефективність розроблених математичних моделей. Наукова новизна. Запропоновано ефективні математичні моделі для прогнозування рівня хімічного забруднення підземних вод, її динаміки та теплового режиму. Побудовані математичні моделі дають можливість визначати динаміку зміни температурного режиму підземних вод під час роботи свердловин, через які подають холодоагент для заморожування окремих ділянок. Розроблено комп’ютерну програму, що дозволяє здійснювати комплексне оцінювання стану підземних вод. Практична значимість. Розроблено комплекс комп’ютерних програм для проведення обчислювального експерименту з дослідження процесів фільтрації, хімічного забруднення підземних вод та процесів теплопереносу в них. Цей комплекс програм можна використати для наукового обґрунтування інженерних рішень, спрямованих на захист підземних вод.
Quantum-Mechanical Methodology for Determining the Temperature Dependence of Contact Angle in Melt–Solid Metal Systems
(Oles Honchar Dnipro National University, Dnipro, 2024) Shtapenko, Eduard Ph.; Syrovatko, Yuliya V.; Voronkov, Eugene O. ; Mikhailova, Tetiana F.
ENG: Aim. In order to determine the composite materials’ manufacturing process parameters, it is necessary to evaluate the stability of their structural components and determine the contact angle of wetting of the filler with the molten binder at the infiltration temperature. The development of a theoretical method for determining the dependence of the contact angle of wetting on temperature in melt – solid metal systems makes it possible to reduce the volume of experimental studies. Methods. The paper presents a quantum mechanical methodology for calculating the binding energy of interacting substances, as well as an experimental study of the dependence of the contact angle on temperature for tin – steel systems. The methodology is based on the calculation of the binding energy between atoms of interacting substances using density functional theory. Results. The calculations show an anomalous behavior of contact angle values for the tin–steel system with increasing temperatures. It means that, when the temperature increases, the values of the contact angle initially become lower, and later, in the temperature range of 450-510 °C, an increase in the contact angle is observed. The obtained theoretical and experimental data correlate well with each other. Conclusions. The appearance of extreme regions in the experimental and theoretical temperature dependences is associated with the thermal expansion of interatomic distances in the crystal lattice. The obtained theoretical and experimental data correlate well with each other and base on the thermal expansion of interatomic distances in the crystal lattice.
Modeling the Distribution of Emergency Release Products at a Nuclear Power Plant Unit
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Biliaieva, Viktoriia V.; Levchenko, Larysa; Myshchenko, Iryna; Tykhenko, Oksana; Kozachyna, Vitalii A.
ENG: Despite the fact that much attention is paid to the safe operation of nuclear power plants, there is a possibility of an accident with the release of radionuclides. This is especially true in Ukraine, where there is a threat of the damage to nuclear reactors as a result of military operations. It is impossible to research the distribution of products emergency releases radioactive substances in laboratory conditions. Therefore, the only tool for the development predicting of an accident is the modeling the spread of a radionuclides cloud. The purpose of the research is a modeling the distribution of emergency release products in a nuclear power plant unit, suitable for the operative assessment of a development an accident. Results of the research: The mathematical model of the distribution emission products of a nuclear power plant has been developed, which takes into account the value of the initial activity of emission products, the rate of the settling radioactive particles, the wind speed components, the intensity changes radionuclide emission over time. The technique for solving the boundary value problem of modeling in conditions of a complex shape of the computational domain, taking into account the presence of obstacles to the spread of emission products has been developed. The use of the velocity potential equation in evolutionary form allows us to speed up the calculation process. The chosen splitting scheme of an alternating-triangular method allows to find the speed potential according to the explicit form at each splitting step. This allowed software implementation of the CFD model. The visualized models of the emission cloud distribution allow to determine the radiation situation in any place of the emission product distribution zone. The developed model makes it possible to quickly predict the development of an accident in space and time, which makes it possible to take measures to protect people from exposure in the shortest possible time. Conclusions: The obtained emission cloud propagation models and their visualization make it possible to determine the state of environmental pollution under various initial conditions during the development of the accident.
Numerical Modeling of the Wind Regime on the Beaches of the Wash of the Artificial Storage Facilities for Mineral Processing Waste
(IOP Publishing, 2024) Lapshyn, Yevhen; Biliaiev, Mykola M. ; Biliaieva, Viktoriia V. ; Halchenko, Zariana; Medianyk, Volodymyr; Buketov, Valentyn
ENG: A 2D numerical model has been developed to estimate the airflow velocity field when flowing around the dam of an artificial storage facility for mineral processing waste. To solve the aerodynamic problem of determining the air flow velocity field when flowing around such hydraulic structures with a complex geometric shape, a potential motion model was applied. The numerical integration of the equation for the velocity potential is carried out using the Liebman method. The geometric shape of the tailings storage facility is formed in a discrete model using the marking method. A computer program was created to implement the developed numerical aerodynamics model. Based on the processing of the results of computational experiments, coefficients were obtained that allow us to quickly determine the value of the air flow velocity at the beginning and end of the tailing pond beach, i.e. in the area of the most intense dust emission. This allows for a quick prediction of the risk of dust air pollution at different tailing pile heights.
Математична модель аналізу кисневого режиму в біореакторі
(Український державний університет науки і технологій, Дніпро, 2024) Біляєв, Микола Миколайович; Машихіна, Поліна Борисівна; Побєдьонний, Руслан Павлович; Чірков, Антон Олексійович; Чирва, Максим Віталійович
UKR: Мета. Сьогодні аеротенки широко використовують для очищення стічних вод підприємств та комунальних стоків. Оцінювання ефективності очищення води в аеротенках за різних режимів експлуатації є важливою задачею. Для розв’язання такої задачі потрібно мати математичні моделі, що дозволяють оперативне отримати дані щодо ефекту очищення в аеротенках. Основною метою роботи є розробка чисельної box-моделі для визначення ефективності очищення стічних вод в аеротенку. Методика. Для математичного моделювання процесу біологічного очищення стічних вод у біореакторі використовують нульвимірні рівняння матеріального балансу, що записані відносно концентрації субстрату, активного мулу та розчиненого кисню в стічних водах. Для розрахунку процесу окислення субстрату використано модель Monod. Для інтегрування моделювальних рівнянь використовують метод Ейлера. Розглянуто спрощену модель біологічного очищення води в біореакторі, що дає можливість отримати аналітичне розв’язання задачі. Отриманий аналітичний вираз дає можливість швидко визначити зміну концентрації розчиненого кисню в стічних водах залежно від зміни концентрації активного мулу в біореакторі. Побудована чисельна модель дає можливість визначати динаміку зміни концентрації забруднень, активного мулу та кисню в стічних водах за час перебування їх у біореакторі. Результати. Запропоновано інструмент теоретичної оцінки ефективності біологічного очищення стічних вод в аеротенку. Побудовано чисельну модель, що дає можливість визначити концентрацію розчиненого кисню, субстрату та активного мулу на виході з аеротенка. Наукова новизна. Розроблено ефективну чисельна модель, що дозволяє швидко розраховувати динаміку очищення стічних вод у біореакторі та на базі цієї інформації оцінювати ефективність роботи реактора. Практична значимість. Побудована математична модель може бути корисна під час реконструкції споруд біологічного очищення стічних вод, а також на етапі проєктування біореакторів для врахування їх роботи за різних умов експлуатації. Розроблено комп’ютерну програму, що реалізує побудовану чисельну модель. Наведено результати комп’ютерного експерименту.
Використання габіонів для захисту від ураження нафтосховища
(Український державний університет науки і технологій, Дніпро, 2024) Біляєв, Микола Миколайович; Калашніков, Іван Володимирович; Берлов, Олександр Вікторович; Козачина, Віталій Анатолійович; Полторацька, Вікторія Миколаївна
UKR: Мета. Під час вибуху дрона утворюють уламки, що спричиняють ризик ураження як людини, так і об’єктів на промисловому майданчику. Тому основною метою роботи є оцінювання ефективності використання габіонів із різними наповнювачами для зменшення ризику ураження стінки нафтосховища уламками, що з’являються під час вибуху дрона на промисловому майданчику, а також аналіз величини позаперешкодної швидкості руху уламків. Методика. Для аналізу ефективності використання габіонів як захисних споруд нафтосховища під час розлітання уламків дрона використано чисельну модель, що базується на інтегруванні рівняння руху матеріальної точки. Рівняння руху уламка базуються на другому законі Ньютона. Такий підхід дозволяє визначити позаперешкодну швидкість уламка після проходження тіла захисної перешкоди – габіону. Побудована чисельна модель враховує початкову швидкість уламка, його розмір, напрям руху, висоту викиду, а також матеріал, яким наповнено тіло габіону. На базі цієї чисельної моделі створено комп’ютерну програму для проведення обчислювального експерименту. Результати. Розроблено ефективний інструмент аналізу ризику ураження нафтосховища від метальної дії уламків, що утворюються в разі вибуху дрона, та аналізу ефективності використання габіонів. Подано результати обчислювальних експериментів. Наукова новизна. Побудовано швидкорозрахункову чисельну модель для оперативного аналізу ефективності використання габіонів, які мають різне наповнення та які використовують для захисту нафтосховища на промисловому майданчику від метальної дії уламків, що утворюються під час вибуху дрона. Практична значимість. Розроблено комп’ютерну програму для розрахунку динаміки руху уламків у повітрі та в тілі габіону. Використання цієї програми дозволяє підібрати раціональні розміри захисної перешкоди – габіону на промисловому майданчику для захисту нафтосховища від ураження.