mohammadjavad fardadi shilsar
-
در پژوهش حاضر، حل تحلیلی معادله انتقال آلودگی با لحاظ عبارت منبع گسترده و شرط اولیه، برای یک شبکه رودخانه عام در یک دامنه محدود با ضرایب ثابت به ازاء شرایط مرزی بالادست و پایین دست از نوع دیریکله با روش تبدیل لاپلاس انجام گرفت. وجود عبارت منبع و شرط اولیه، پیچیدگی محاسبات را به لحاظ یافتن جواب خصوصی معادله دیفرانسیل معمولی دوچندان می کند. به منظور ارزیابی حل تحلیلی موجود، دو مثال فرضی ارایه گردید، که در هر کدام، مدل سازی بر روی دو نوع شبکه شاخه ای و حلقه ای با درنظر گرفتن یک منبع آلودگی گسترده انجام گرفت. داده های ورودی برای مدل سازی هر یک از شبکه های رودخانه دلخواه شامل، مقادیر سرعت، ضریب پراکندگی، طول شاخه ها، سطح مقطع جریان و غلظت های ورودی از مرزها و منبع گسترده می باشد. با محاسبه ماتریس های انتشار و بیلان جرم لاپلاس گرفته شده (با تاثیر منبع گسترده در آن) در شبکه رودخانه براساس ماتریس نحوه اتصال و ماتریس داده ها، یک دستگاه معادلات غیرخطی ای برحسب متغیر s لاپلاس ایجاد می شود، که با حل آن، ماتریس غلظت آلودگی و به تبع آن غلظت آلودگی در هر گره با الگوریتم لاپلاس گیری وارون عددی محاسبه می شود. به منظور اعتبارسنجی حل تحلیلی پیشنهادی از حل عددی استفاده شد. نتایج نشان داد که شاخص های آماری R2، جذر میانگین مربع خطاها و میانگین خطای مطلق در بهترین حالت به ترتیب 86/99%، 0099/0 و 0067/0 کیلوگرم برمترمکعب برای مسیر 1456 و در بدترین حالت به ترتیب 20/95%، 0309/0 و 0194/0 کیلوگرم برمترمکعب برای مسیر 23456 شبکه حلقه ای بوده و دو حل مذکور انطباق خوبی با یکدیگر داشته و نشان دهنده عملکرد مطلوب حل تحلیلی موجود و جایگزینی آن به جای حل عددی به دلیل دقت بالاتر در شبکه رودخانه می باشد.
کلید واژگان: تابع توزیع غلظت، روش تبدیل لاپلاس، ضرایب ثابت، مدل سازی ریاضی، معادله جابه جایی-پراکندگی-واکنش-منبعIn this study, the analytical solution of the pollution transport equation considering distributed source term and initial condition was performed by Laplace transform method for a general river network in a finite domain with constant coefficients for upstream and downstream using Dirichlet boundary conditions. Existence of the source term and initial condition increases the computational complexity to find the particular solution of the ordinary differential equation. To evaluate the existing analytical solution, two hypothetical examples were presented, that in each, modeling was performed on two branch and loop networks types considering a distributed source of pollution. Input data for modeling each of the desired river networks include values of velocity, dispersion coefficient, branch lengths, flow area, and input concentrations from boundaries and distributed sources. By calculating the diffusion and Laplace mass balance matrices (by influencing the distributed source) in the river network based on the connection and data matrix, a nonlinear equations system is created according to the Laplace s variable, which by solving it, the pollution concentration matrix and consequently the pollution concentration in each node is calculated by numerical inverse Laplace algorithm. The numerical solution used to validate the proposed analytical solution. The results showed that the statistical indices of R2, root mean square error, and mean absolute error in the best case were 99.86%, 0.0099, and 0.0067 kg/m3 for 1456 route and in the worst case were 95.20%, 0.0309 and 0.0194 kg/m3 for 23456 route of the loop network, respectively. The results showed that the two proposed solutions are well compatible together, indicating the good performance of the existing analytical solution and its replacement instead of numerical solution due to higher accuracy in the river network.
Keywords: Concentration distribution function, Laplace transform method, Constant coefficients, Mathematical Modeling, Advection-dispersion-reaction-source equation -
رودخانه ها یکی از مهمترین منابع طبیعی آب در جهان به شمار می روند. مدل سازی انتقال آلودگی در رودخانه ها توسط معادله دیفرانسیل جزیی جابه جایی-پراکندگی-واکنش (ADRE) انجام می گیرد. در پژوهش حاضر، با استفاده از تبدیل لاپلاس که یک ابزار قدرتمند و مفید در حل معادلات دیفرانسیل می باشد، پاسخ تحلیلی معادله ADRE در دامنه محدود با ضرایب متغیر به ازای شرایط مرزی بالادست و پایین دست دیریکله در رودخانه به دست آمد. به منظور استفاده از حل تحلیلی موجود در این پژوهش، سه مثال ارایه گردید که در هرکدام رودخانه مد نظر، به بازه های دو، چهار و هشت قسمتی تقسیم شده است، که ضمن متغیر بودن پارامترهای جریان، آلاینده و هندسه رودخانه در هر سه مثال، برای هر کدام از مثال ها، دقت حل تحلیلی موجود در زمانی که تقسیم بندی بازه ها بیشتر می شود در مقایسه با حل عددی بررسی شده است. با مشخص کردن ماتریس های سرعت، ضریب پراکندگی، سطح مقطع و... به عنوان ورودی مسیله، ماتریس انتشار محاسبه و به تبع آن دستگاه معادلات پیچیده ای ایجاد می شود که پیچیدگی کار را دوچندان می کند. با حل دستگاه معادلات مذکور، مقدار غلظت آلاینده محاسبه می گردد. به منظور اعتبارسنجی حل تحلیلی موجود، از حل عددی استفاده می شود، نتایج نشان داد که هرچه تعداد تقسیم بندی های رودخانه بیشتر باشد، دقت حل بالاتر می رود و دو حل تحلیلی و عددی دارای انطباق خوبی با یکدیگر خواهند بود. باتوجه به توانایی و عملکرد حل تحلیلی موجود، می توان اذعان داشت که، حل تحلیلی موجود در این پژوهش می تواند به عنوان ابزاری جهت صحت سنجی و اعتبارسنجی حل های عددی و سایر حل های تحلیلی برای ضرایب متغیر معادله مورد استفاده قرار گیرد.
کلید واژگان: تابع توزیع غلظت، دامنه محدود، مدل سازی ریاضی، معادله جابه جایی- پراکندگی- واکنشRivers are one of the most important natural water resources in the world. Pollution transport modeling in rivers is performed by the partial advection-dispersion-reaction equation (ADRE). In the present study, using the Laplace transform, which is a powerful and useful tool in solving differential equations, the analytical solution of the ADRE equation was obtained in a finite domain with variable coefficients for the upstream and downstream Dirichlet boundary conditions and the initial zero condition in the river. To use the analytical solution in this study, three examples are presented, each of which, the river are divided into two, four, and eight parts, which, while the parameters of flow, pollution, and river geometry are variable in all three examples, for each of the examples, the accuracy of the analytical solution available when the segmentation of the intervals increases as compared to the numerical solution. By specifying the matrices of velocity, dispersion coefficient, cross-section, etc. as input to the problem, the diffusion matrix is calculated and, consequently, a complex system of equations is created that doubles the complexity of the work. The amount of pollutant concentration is calculated by solving the system of the above equations. The numerical solution is used to validate the existing analytical solution, the results showed that the greater the number of river divisions, the higher the accuracy of the solution, and the two analytical and numerical solutions will be well compatible with each other. Given the ability and performance of the existing analytical solution, it can be acknowledged that the analytical solution in this study can be used as a tool to validate and verification numerical solutions and other analytical solutions for the coefficients of the equation.
Keywords: Advection-dispersion-reaction equation, Concentration distribution function, finite domain, Mathematical Modeling
- در این صفحه نام مورد نظر در اسامی نویسندگان مقالات جستجو میشود. ممکن است نتایج شامل مطالب نویسندگان هم نام و حتی در رشتههای مختلف باشد.
- همه مقالات ترجمه فارسی یا انگلیسی ندارند پس ممکن است مقالاتی باشند که نام نویسنده مورد نظر شما به صورت معادل فارسی یا انگلیسی آن درج شده باشد. در صفحه جستجوی پیشرفته میتوانید همزمان نام فارسی و انگلیسی نویسنده را درج نمایید.
- در صورتی که میخواهید جستجو را با شرایط متفاوت تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مطالب نشریات مراجعه کنید.