Компьютерное прогнозирование пространственного распределения концентрации Cs-137 в почве

Computer prediction of the migration of radioactive contaminants in soil is a promising scientific direction due to the fact that prediction of the radiation situation on the basis of experimental measurements of radionuclides activity requires the use of mathematical and computer methods of data processing. At the same time, most of the specialized software packages for predicting the spread of radioactive contaminants in soil are based on one- and two-dimensional idealizations of this process, while solving the problem of comprehensive assessment of the biosphere’s state requires the data of the contaminant’s spatial distribution. To obtain such data, the author has developed a software module as a part of SPS (Simulation of Processes in Soil) v2.0 software package, which allows predicting the parameters of the spatial migration of radionuclides in natural dispersed media. To assess the possibility of using the developed software in practice, the prediction results were verified by the experimental data. For this purpose, the spatial distribution of the Cs-137 concentration in the experimental area in the Luninets district of the Brest region was predicted using the measurement data of the Cs-137 activities and the soil characteristics. The comparison of the results obtained on the basis of experimental measurements and the predicted values of the spatial distribution of the Cs-137 concentration showed that the predicted values are within the confidence intervals of the measured values. Consequently, the developed software can be used to solve practical problems in the field of forecasting the migration of radionuclides with obtaining a reliable picture of their distribution over the volume of the modeling area and to comprehensively assess their impact on the environment.Компьютерное прогнозирование распространения радиоактивных загрязнений в почвах является перспективным научным направлением ввиду того, что прогнозирование развития радиационной обстановки на основе экспериментальных измерений удельной активности радионуклидов требует применения методов математической и компьютерной обработки данных. При этом большинство специализированных программных средств, используемых для прогнозирования распространения радиоактивных загрязнений в почвах, основано на одномерных и двумерных идеализациях этого процесса, тогда как для решения задачи комплексной оценки состояния биосферытребуются данные о пространственном распределении загрязняющих веществ. Для получения таких данных автором был разработан программный модуль в составе ПК (программного комплекса) SPS (Simulation of Processes in Soil) v2.0, позволяющий прогнозировать параметры пространственной миграции радионуклидов в природных дисперсных средах. Для оценки возможности применения разработанного программного обеспечения на практике была проведена верификация результатов прогнозирования с экспериментальными данными. Для этого выполнялось прогнозирование пространственного распределения концентрации Сs-137 на опытной площадке СПК «НовоеПолесье» Лунинецкого района Брестской области c использованием данных полевых измерений активностей Сs-137 и почвенных характеристик. Сравнение результатов, полученных на основе экспериментальных измерений и прогнозируемых значений пространственного распределения концентрации Cs-137, показало, что прогнозируемые значения находятся в пределах доверительных интервалов измеряемых величин. Следовательно, разработанные программные средства могут применяться для решения практических задач в области прогнозирования миграции радионуклидов с получением достоверной картины их распространения по объему области моделирования и для осуществления комплексной оценки их влияния на окружающую среду

Верификация численных методов и математической модели, разработанных для моделирования миграции радионуклидов в природных дисперсных средах

Simulation of radionuclides vertical migration was successfullyimplemented in the first versions of SPS  (Simulation  of  Processes  in  Soil)  software  and  was  based  on a  numerical  solution  of  the  mathematical model  of  interconnected  heat  and  moisture  transfer  in  one  dimension.  But  in  order  to  solve  problems  of  a comprehensive assessment of the state of the biosphere under radionuclides pollution and better approximation of simulation results to real processes, authors developed SPS v2.0 software. One of the modules of SPS v2.0 uses  new  mathematical  model  that  describes  the  spatial  migration  of  radionuclides  in  soil  (3D-model). The numerical solution of this mathematical model is based on the application of the finite element method and the  analytical  approximation  of  thermal  conductivity  and  liquid pressure  coefficients.  Such  approach  makes possible  to  use  parallel  computing  technologies  for  simulation. The  mathematical  model  used  in  SPS  v2.0, as well as numerical methods forsolving it, require verification, which is carried out in this article. Verification of the developed numerical methodswas carried out using ComsolMultiphysics software and SPS v2.0 module with the following comparison of the calculation results. The difference in the calculation results obtained using the listed software is less than 5 %, therefore, the numerical methods are correctly implemented in SPS v2.0 and have a solution accuracy comparable to the numerical methods used in modern software. For the mathematical model  verification  were  used  the  results  of  experimental  measurements  of  meteorological  conditions, distribution  of  moisture  and  temperature  in  soil,  which  were  compared  with  the  simulation  results  obtained in SPS v2.0. The comparison shows that the error in the calculation of the analyzed parameters does not exceed 5 %, which allows the developed model to be used for solvation of practical problems in the subject area.Возможность моделирования вертикальной миграции радионуклидов успешно реализована в первых версиях программного комплекса (ПК) SPS (Simulation ofProcesses in Soil) и основывается на численном  решении  математической  модели  взаимосвязанного  тепловлагопереноса  в  одномерной постановке.  Однако  для  решения  задачи  комплексной  оценки  состояния  биосферы  в  условиях  ее радиационного загрязнения и лучшего приближения результатов моделирования к реальным процессам был разработан ПК SPS v2.0, в одном из программных модулей которого авторами реализована новая математическая модель, описывающая пространственную миграцию радионуклидов в почве (3D-модель). Численное  решение  этой  математической  модели  основано  на  применении  метода  конечных элементов (МКЭ)  и  выполнении  аналитической  аппроксимации  коэффициентов  теплопроводности и давления  жидкости,  что  обеспечивает  возможность  применения  при  моделировании  технологий параллельных  вычислений.  Математическая  модель,  используемая  в ПК SPS v2.0,  а  также  численные методы ее решения требуют верификации, которая и проводится в представленной статье. Верификация разработанных  численных  методов  проводилась  с  использованием  математического  ПК  Comsol Multiphysics  и  программного  модуля  в  составе  ПК SPS v2.0  с  последующим  сравнением  результатов расчетов.  Различие  в  результатах  расчетов,  полученных  с  помощью перечисленных  программных средств, составляет менее 5 %. Следовательно, численные методы программно реализованы корректно и обладают  точностью  решения,  сравнимой  с  численными  методами,  применяемыми  в  современных программных  пакетах  для  математического  моделирования.  Проведена  также  экспериментальная верификация  математической  модели,  для  которой  использовались  результаты  экспериментальных измерений  метеорологических  условий,  распределения  влаги  и  температуры  в  почве.  Эти  данные сравнивались с результатами моделирования, полученными в ПК SPSv2.0. Установлено, что погрешность расчета анализируемых параметров не превышает 5 %, что позволяет применять разработанную модель для решения практических задач врассматриваемой предметной области

ТЕХНОЛОГИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ ЗАДАЧИ ТЕПЛОВЛАГОПЕРЕНОСА В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ SPS

A numerical model of non-isothermal moisture transfer in soil is developed and adapted for used media. An SPS software module which allows carrying out long-term forecasting for the solution of three-dimensional non-isothermal heat and moisture transfer of contaminants in soil is developed.Предлагается математическая модель, разработанная с учетом существующих численных моделей неизотермического влагопереноса в почве и адаптированная для конечно- элементного решения задачи тепловлагопереноса в природных дисперсных средах в трехмерной постановке. Разрабатывается программный комплекс SPS, позволяющий осуществлять долгосрочное прогнозирование для решения трехмерной задачи неизотермического тепловлагопереноса загрязняющих веществ в почве

РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ ЗАДАЧИ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ВЛАГОПЕРЕНОСА В ПРИРОДНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СРЕДАХ

The results of the developed algorithm of parallel computing program implementation of non-isothermal moisture transfer in natural dispersed environments in the Matlab package are considered. Comparative studies of the computing model performance of contaminants transport by the proposed algorithm and use of Matlab at the standard instruction level showed a significant reduction in compu-tation time.Предлагаются результаты программной реализации в пакете Matlab разработанного ав-торами алгоритма параллельных вычислений задачи неизотермического влагопереноса в природных дисперсных средах. Проведенные сравнительные исследования производительности вычислений модели переноса загрязняющих веществ по предложенному алгоритму и с помощью пакета Matlab на уровне стандартных инструкций показали значительное сокращение времени вычислений

АЛГОРИТМ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ ЗАДАЧИ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ВЛАГОПЕРЕНОСА В ПРИРОДНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СРЕДАХ

The modeling of nonisothermal heat and moisture transfer in natural disperse environment is considered. It is necessary to apply parallel computing techniques for solving these problems in three-dimensional setting. An algorithm of parallel computing of nonisothermal heat and moisture transfer is based on the creation of distributed data array by solving a system of equations of nonisothermal heat and moisture transfer with the use of finite element method.Рассматриваются особенности моделирования неизотермического влагопереноса в природных дисперсных средах. Показана необходимость применения параллельных технологий вычислений при решении указанных задач в трехмерной постановке. Предложен алгоритм параллельных вычислений неизотермического влагопереноса, который базируется на создании распределенного массива данных при решении системы уравнений неизотермического влагопереноса методом конечных элементов

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ОТ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ С УЧЕТОМ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА И ИНФИЛЬТРАЦИИ

A mathematical model of pollutants' migration from environmentally hazardous facilities considering surface water flow and infiltration is developed. The methods for the numerical solution of differential equations describing the transport of pollutants and their entry into the groundwater from the surface of the soil due to the infiltration of precipitation are introduced. The developed mathematical model was implemented with the use of MATLAB and COMSOL software.Разработана математическая модель распространения загрязняющих веществ от экологически опасного объекта с учетом поверхностного стока и инфильтрации. Разработаны методы численного решения дифференциальных уравнений, описывающих перенос загрязняющих веществ и их поступление в грунтовые воды с поверхности почвы за счет инфильтрации атмосферных осадков. При помощи программных комплексов MATLAB и COMSOL осуществлена компьютерная реализация разработанной математической модели

Irreversible Aging Dynamics and Generic Phase Behavior of Aqueous Suspensions of Laponite

In this work we study the aging behavior of aqueous suspension of Laponite having 2.8 weight % concentration using rheological tools. At various salt concentration all the samples demonstrate orientational order when observed using crossed polarizers. In rheological experiments we observe inherent irreversibility in the aging dynamics which forces the system not to rejuvenate to the same state in the shear melting experiment carried out at a later date since preparation. The extensive rheological experiments carried out as a function of time elapsed since preparation demonstrate the self similar trend in the aging behavior irrespective of the concentration of salt. We observe that the exploration of the low energy states as a function of aging time is only kinetically affected by the presence of salt. We estimate that the energy barrier to attain the low energy states decreases linearly with increase in the concentration of salt. The observed superposition of all the elapsed time and the salt concentration dependent data suggests that the aging that occurs in low salt concentration systems over a very long period is qualitatively similar to the aging behavior observed in systems with high salt concentration over a shorter period.Comment: 27 pages, 8 figures. Langmuir, in pres

Experimental and theoretical studies of nanofluid thermal conductivity enhancement: a review

Nanofluids, i.e., well-dispersed (metallic) nanoparticles at low- volume fractions in liquids, may enhance the mixture's thermal conductivity, knf, over the base-fluid values. Thus, they are potentially useful for advanced cooling of micro-systems. Focusing mainly on dilute suspensions of well-dispersed spherical nanoparticles in water or ethylene glycol, recent experimental observations, associated measurement techniques, and new theories as well as useful correlations have been reviewed