Finite volume discretisation for solving acid mine drainage problems

• Autorzy: Singh R. , Ardejani F. D.

Warianty tytułu

PL

Dyskretyzacja metodą objętści skończonych dla rozwiązania problemów usuwania kwaśnych wód kopalnianych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Many environmental problems associated with the mining industry involve the understanding and analysis of fluid or gas flow. Typical examples include groundwater flow, transport of contaminants, and teat transfer. The long-term pyrite oxidation and transportation of the oxidation products are noted to be the most important problems that can be modeled in order to predict the transport of the contaminants through groundwater flow systems, to interpret the geochemistry and achieve a better understanding of the processes involved. Computational Fluid Dynamics (CFD) makes it possible to model the processes in which fluid flow, mass transport, heat transfer and chemical processes such as pyrite oxidation are involved. This paper attempts to describe mathematically the numerical finite volume discretisation of the groundwater flow, pyrite oxidation, atmospheric oxygen transport and the solute transport governing equations, These eąuations have been numerically solved using a CFD package called PHOENICS. For all non-standard calculations for this package, the necessary modifications have been carried out by ap-plying FORTRAN 99 coding in a user accessible subroutine.

PL

Wiele zagadnień ochrony środowiska w górnictwie wymaga zrozumienia i analizy procesów przepływu gazów lub cieczy. Typowe zagadnienia to przepływy wód głębinowych, transport zanieczyszczeń, wymiana ciepła, wybuchy, rozwój pożarów, przenoszenie pyłów. Prace eksperymentalne i modele nume­ryczne są w stanie dostarczyć nam informacji niezbędnych dla rozwiązania konkretnego problemu. Długotrwałe utleniania pirytów i przenoszenie produktów utleniania uważane są za jeden z najważniejszych problemów, a modelowanie tego zjawiska pozwoli nam na przewidywanie ruchu zanieczyszczeń poprzez system wód głębinowych. Można także dokonać analizy geochemicznej zjawiska i lepiej zrozumieć wszystkie zachodzące procesy. Wykorzystanie metody Numerycznej Mechaniki Płynów (ang. CFD) w symulacji przepływów znacznie się rozpowszechniło wśród inżynierów i naukowców wielu specjalności w ciągu ostatnich dwóch lat i stało się niemalże dyscypliną badawczą. Ponieważ szybkie komputery o dużej mocy obliczeniowej oraz zaawansowane metody obliczeń są już szeroko dostępne, podejście CFD przyjęło się jako relatywnie tanie narzędzie do projektowania i predykcji. Metody numeryczne mogą też być wykorzystywane w CFD do symulacji przepływów cieczy oraz zagadnień związanych z przenoszeniem ciepła i masy, jeżeli zagadnienie sformułowane jest w postaci równań różniczkowych cząstkowych. Ogólnie rzecz biorąc, analiza przepływów w oparciu o kody CFD obejmuje trzy podstawowe etapy: faza opracowania wstępnego, obejmująca wprowadzenie zagadnienia — danych o przepływie do pakietu CFD; faza symulacji obejmująca rozwiązanie opisujących równań dla nieznanej zmiennej przepływu; faza opracowania po zakończeniu symulacji, obejmująca określenie geometrii domeny, siatki, wykresów wektorowych, wykresów powierzchniowych, wykresów x-y, i wykresów cieniowanych, animację i dynamiczne wyświetlanie wyników. Utleniania pirytów związane z działalnością górniczą powoduje powstawanie kwaśnych wód o wysokiej zawartości żelaza, siarczanów i o niskim pH. Zanieczyszczenia takie obecne na obszarach górniczych stanowią zagrożenie dla zbiorników wód głębinowych a także powierzchniowych i mogą poważnie zakłócić funkcjonowanie ekosystemów wodnych. Jeżeli celem naszym jest zachowanie stanu środowiska naturalnego, należy dokonać skutecznej i ekonomicznej predykcji powstawania tych zanieczyszczeń. W pracy tej dokonano próby opisu matematycznego dyskretyzacji metodą objętości skończonych przepływów wód głębinowych, utleniania pirytów, przenoszenia tlenu atmosferycznego. Dokonano próby rozwiązania równań transportu. Równania te rozwiązano numerycznie przy użyciu pakietu CFD o nazwie PHOENICS. Dla potrzeb wszystkich obliczeń niestandardowych do wykonania w oparciu o ten pakiet, dokonano niezbędnych modyfikacji poprzez zastosowanie kodu FORTRAN 99 w podprogramie dostępnym dla użytkownika. Podstawowe zasady metody objętości skończonych są łatwe do zrozumienia, metoda ta znakomicie się sprawdza przy rzadkich, nierównomiernych oczkach. Jedną z zalet metody objętości skończonych w porównaniu do innych metod numerycznych jest możliwość zajmowania się warunkami brzegowymi i szczegółowymi wyrażeniami źródłowymi.

Słowa kluczowe

EN

acid mine drainage; pyrite oxidation CFD; PHOENICS; finite volume discretisation

PL

utlenianie pirytów; CFD; obliczeniowa dynamika płynów; dyskretyzacja metodą objętości skończonych; usuwanie kwaśnych wód kopalnianych

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2004
• Tom: Vol. 49, nr 4
• Strony: 531--556
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Singh R.

• Division of Mining Engineering, Faculty of Engineering, University of Wollongong, Northfields Avenue, Wollongomg, NSW 2522, Australia

autor

Ardejani F. D.

• Faculty of Mining, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran

Bibliografia

• [1] Balusu S.R., 1993. Design and development of a multi-scrubber dust control system for longwall faces: Experi- mental and modelling studies. Ph.D. Thesis, University of Wollongong, pp. 188-246.
• [2] Binning P.,Celia M.A., 1996. A finite volume Eulerian-Lagrangian localized adjoint method for solution of the contaminant transport eąuations in two-dimensional multiphase flow systems. Water Resources Research, 32 (1), pp. 103-114.
• [3] Cathles L.M., Apps J.A., 1975. A model of the dump leaching process that incorporates oxygen balance, heat balance and air convection. Metallurgical Transactions B. Volume 6B, pp. 617-624.
• [4] CHAM (2000). The PHOENICS On-line Information System, http://www.cham.co.uk/phoenics/d_polis/polis.htm
• [5] Domenico P.A., Schwartz F.W., 1990. Physical and Chemical hydrogeology, lst edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, 824 p.
• [6] Doulati Ardejani F., Singh R.N., Baafi E.Y. , 2002. A numerical finite volume model for prediction of pollution potential of open cut minę backfill. 6,h Annual Environmental Engineering Research Event 2002 conference, Blackheath NSW, Australia, ISBN: 0-9580158-1-3.
• [7] Edwards J.S., Ren T.X., Józefowicz R., 1995. Using computational fluid dynamics (CFD) to solve mine safety and health problems. APCOM xxv 1995, Technical Proceedings, Application of Computers and Operations Research in the Minerals Industries, Brisbane, Australia, 9-14 July 1995, pp. 41-47.
• [8] Freeze R.A., Cherry J.A., 1979. Groundwater, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 604 p.
• [9] Green S.R., Clothier B.E., 1994. Simulation water and Chemical movement into unsaturated soils. The PHOENICS Journal of Computational Fluid Dynamics & Its Applications, 7(1), pp. 76-92.
• [10] Grove D.B., 1977. The use of Galerkin fmite-element methods to solve mass-transport eąuations. U.S. geological survey, water resources division, Denver federal center, Denver, Colorado.
• [11] Jaynes D.B., Rogowski A.S., Pionke H.B., 1984a. Acid minę drainage from reclaimed coal strip mines, 1, Model description. Water Resources Research, 20 (2), pp. 233-242.
• [12] Lefebvre R., Gelinas P.J., 1995. Numerical modelling of AMD production in waste rock dumps. Conference on Mining and the Environment, Proceedings, Sudbury, Ontario, pp. 869-878.
• [13] Levenspiel O., 1972. Chemical reaction engineering, John Wiley, New York, 578 p.
• [14] Patankar S. (1980). Numerical heat transfer and fluid flow, Taylor & Francis, USA, 197 p.
• [15] Pickens J.F., Lennox W.C., 1976. Numerical simulation of waste movement in steady groundwater flow Systems. Water Resources Research, 12 (2), pp. 171-180.
• [16] Pinder G.F., 1973. A Galerkin-fmite element simulation of groundwater contamination on Long Island, New York. Water Resources Research, 9 (6), pp. 1657-1669.
• [17] Putti M., Yen W.W.-G., Mu 1 der W.A., 1990. A triangular finite volume approach with high-resolution upwind terms for the solution of groundwater transport eąuations. Water Resources Research, 26 (12), pp. 2865-2880.
• [18] Rabbani M.G., Warner J.W., 1994. Shortcomings of existing finite element formulations for subsurface water pollution modelling and its rectification: One-dimensional case. SIAM Journal on Applied Mathematics, A publication of the society for industrial and applied mathematics, 54 (3), pp. 660-673.
• [19] Reddi L.N., Inyang H.I., 2000. Geoenvironmental engineering, principles and applications, Marcel Dekker, Inc., New York, 494 p.
• [20] Rubin J., James R.V., 1973. Dispersion-affected transport of reacting solutes in saturated porous media: Galerkin method applied to eąuilibrium-controlled exchange in unidirectional steady water flow. Water Resources Research, 9 (5), pp. 1332-1356.
• [21] Sheng D., Smith D.W., 1997. Analytic Solutions to the advective contaminant transport eąuation with non-linear sorption, Research report No. 158.12.1997, ISBN 0-7259-10194, Department of civil, surveying and environ- mental engineering, The Univ. of Newcastle, Australia.
• [22] Spalding D.B., 1981. A generał purpose Computer program for multi-dimensional one- and two-phase flow. Mathematics and Computers in Simulation, 23(3), pp. 267-276.
• [23] Valocchi A.J., Street R.L., Roberts P.V., 1981. Transport of ion-exchanging solutes in groundwater: Chroma- tographic theory and field simulation. Water Resources Research, 17 (5), pp. 1517-1527.
• [24] Versteeg H.K., Malalasekera W., 1995. An introduction to computational fluid dynamics, the finite volume method, Prentice Hall, UK, 257 p.
• [25] Wunderly M.D., Blowes D.W., Frind E.O., Ptacek C.J., 1996. Sulfide minerał oxidation and subseąuent reactive transport of oxidation products in minę tailings impoundments: A numerical model. Water Resources Research, 32 (10), pp. 3173-3187.