УДК 004.272.2:004.942

Параллельное численное моделирование образования
и распространения загрязнений. Очистка атмосферы

В.В.ПЕКУНОВ
(Ивановский государственный энергетический университет,
Региональный научно-образовательный центр по наноматериалам «Жидкие кристаллы»)

Для оценки уровней загрязненности воздушной среды на практике часто используются стандартные и не вполне точные методики (ОНД-86 и другие). Повышение качества таких оценок требует учета множества дополнительных факторов, что требует чрезвычайно трудоемких расчетов.
Предлагается комплексное решение данной проблемы: а) разработана новая комплексная математическая модель процессов образования и распространения загрязнений; б) сформулирован ряд новых схем, позволяющих существенно повысить эффективность распараллеливания за счет учета особенностей математической модели и многопроцессорного вычислителя. По сравнению с аналогами (ADAM, CAL3QHC, Chensi, TASCflow, ISC‑3, PANACHE, REMSAD, UAM‑IV, ЭКОЛОГ, ПРИЗМА, VITECON и другими) модель учитывает большее количество факторов: динамику турбулентных воздушных потоков; перенос тепла, пыли и реагирующих газообразных загрязнителей; перенос прямого солнечного и диффузного излучений; влияние излучения на тепловые процессы и фотохимические реакции; динамику водяного пара и капель; конденсацию и испарение; поглощение (и высвобождение) газообразных загрязнителей каплями.
Проведен ряд экспериментов по моделированию распространения загрязнений и очистке атмосферы на улице Göttinger Straße (Ганновер, Германия). В первом эксперименте моделировалось распространение пассивной примеси. Показано, что наш расчет (AirEcology-P) занимает второе место в общем рейтинге точности для схожих моделей (TASCflow, AirEcology-P, Chensi, MIMO, Miskam, Phoenics) и первое/второе места по частным критериям. Во втором эксперименте моделировалось образование и развитие фотохимического смога с учетом излучения. Использовалась стандартная модель смога CBM-IV, включающая 36 реагентов и 83 реакции. Наиболее загрязненным участком оказалась зона «застоя». Показано, что наблюдавшийся и расчетный темпы прироста озона имеют один и тот же порядок (5,84310‑3 и 3,31610‑3 млн‑1/час, соответственно), что подтверждает адекватность математической модели и методов расчета.
В третьем эксперименте моделировалась очистка атмосферы с помощью поливочных машин. Задавались перемещающиеся по улице с небольшой скоростью источники капель. Показано, что на высоте полуметра от поверхности концентрации диоксида серы уменьшились в 1040 раз. На высоте полутора метров концентрации уменьшились в 1,22 раза.
Расчеты производились на многопроцессорных системах серии МВС и кластерной установке ИГЭУ. Для системы МВС-1000/16 при использовании 211 процессоров эффективность распараллеливания колеблется между 83 и 91 процентами (интерфейс Router), на несколько процентов меньше при использовании MPI.
Применение комбинированного распараллеливания MPI+OpenMP позволило существенно увеличить количество задействованных процессоров при работе с кластерной системой ИГЭУ, состоящей из четырехъядерных блоков с общей памятью, соединенных сетью Gigabit Ethernet. Расчет распараллеливался между блоками с помощью MPI (обычное распараллеливание по пространству), а для параллельной обработки части расчетной области процессорами блока использовался OpenMP. При использовании 436 процессоров эффективность распараллеливания составила 7595%.
Работа была выполнена при финансовой поддержке Минобразования и науки (грант РНП.2.2.1.1.7280).