Αποτίμηση της ποιότητας του αέρα στο δομημένο περιβάλλον με τεχνικές υπολογιστικής ρευστοδυναμικής
Φόρτωση...
Ημερομηνία
2025-07-17
Τίτλος Εφημερίδας
Περιοδικό ISSN
Τίτλος τόμου
Εκδότης
ΕΛΜΕΠΑ, Σχολή Μηχανικών (ΣΜΗΧ), Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών
Επιβλέπων
Περίληψη
Η ποιότητα του αέρα στο δομημένο περιβάλλον αποτελεί ένα κρίσιμο ζήτημα δημόσιας υγείας, με
σοβαρές επιπτώσεις τόσο στην ανθρώπινη υγεία όσο και στο περιβάλλον. Ιδίως στις περιοχές πυκνής δόμησης,
οι κατασκευές σχηματίζουν κοιλότητες, δημιουργώντας ένα είδος φαραγγιού, όπου η ροή του αέρα περιορίζεται, με αποτέλεσμα την αύξηση της συγκέντρωσης των ρύπων. Η κυκλοφορία των οχημάτων, αναγνωρίζεται ως η κύρια πηγή εκπομπών ρύπων σε αυτές τις περιοχές. Τα επίπεδα εκπομπών, εκτιμώνται κυρίως από
συμβατικές προσεγγίσεις, οι οποίες πολλές φορές αποτυγχάνουν να συλλάβουν τη μεταβλητότητα των συγκεντρώσεων των ρύπων, καθιστώντας αναγκαία τη χρήση προηγμένων μεθοδολογιών για την εκτίμηση της ποιότητας του αέρα.
Στην παρούσα εργασία, αναπτύσσεται μοντέλο υπολογιστικής ρευστοδυναμικής στο πρόγραμμα
SolidWorks, με σκοπό την διερεύνηση της ποιότητας του αέρα στο δομημένο περιβάλλον, βασιζόμενο σε
πειραματική διαδικασία κλίμακας αεροσήραγγας ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος, που αποτελεί την μελέτη περίπτωσης. Αφού δοθούν βασικοί ορισμοί που αφορούν το αντικείμενο της εργασίας, και παρατεθούν
δεδομένα και πορίσματα από την επιστημονική βιβλιογραφία, αρχικό στάδιο της μελέτης είναι η ανάπτυξη
της γεωμετρίας του αστικού φαραγγιού και της αεροσήραγγας, με γνώμονα τη μελέτη περίπτωσης. Οι επιφανειακές πηγές του ρύπου θεωρούνται ιδανικές, έτσι προσομοιώνονται με τέσσερις γραμμές επίπεδο του εδάφους. Για την προσομοίωση του τυρβώδους υδροδυναμικού πεδίου, γίνεται χρήση του τροποποιημένου μοντέλου τύρβης k-ε των Lam & Bremhorst. Για τη διακριτοποίηση των διαφορικών εξισώσεων της ροής χρησιμοποιείται η μέθοδος των πεπερασμένων όγκων ελέγχου, ενώ για τη σύζευξη ταχύτητας–πίεσης εφαρμόζεται ο αλγόριθμος SIMPLE. Το υπολογιστικό πεδίο και οι οριακές συνθήκες δίδονται με βάση τη μελέτη περίπτωσης. Παράλληλα, εφαρμόζεται καρτεσιανό δομημένο πλέγμα, το οποίο προκύπτει έπειτα από την αρχή
της ανεξαρτησίας της λύσης από το πλέγμα.
Για την επαλήθευση του μοντέλου, αξιοποιούνται στατιστικοί δείκτες με στόχο τη σύγκριση των αποτελεσμάτων με τα πειραματικά δεδομένα, καθώς και με τα αποτελέσματα δύο αντίστοιχων μελετών, τα
οποία χρησιμοποιούν διαφορετικά μοντέλα τύρβης και λογισμικά επίλυσης. Συγκεκριμένα, εξετάζονται τα
μοντέλα LES και SAS, στο λογισμικό Ansys Fluent. Προκύπτει ότι το παρόν μοντέλο παρουσιάζει καλύτερη
συσχέτιση με τα πειραματικά δεδομένα όσον αφορά την προσομοίωση του πεδίου ροής του ανέμου, ενώ αναφορικά με την προσομοίωση της διασποράς του ρύπου το μοντέλο LES καθίσταται πιο ακριβές, κυρίως στο
κέντρο του δρόμου, ενώ ακολουθεί το μοντέλο L-B k-ε, το οποίο είναι πιο αποτελεσματικό στα άκρα του
δρόμου. Τα αποτελέσματα δείχνουν επίσης ότι επιτυγχάνεται η προσομοίωση της αποκόλλησης και επανακόλλησης του οριακού στρώματος. Εφόσον η αποτελεσματικότητα του λογισμικού επίλυσης δεν έχει επαληθευτεί από προηγούμενες επιστημονικές έρευνες, τα αποτελέσματα της μελέτης τεκμηριώνουν την ικανότητα
του συγκεκριμένου λογισμικού, ως προς την προσομοίωση ατμοσφαιρικών ροών.
Στη συνέχεια, πραγματοποιούνται παραμετρικές μελέτες, οι οποίες αποσκοπούν στην αξιολόγηση της
συμπεριφοράς και διασποράς του ρύπου εντός του αστικού φαραγγιού κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Οι
παράμετροι που εξετάζονται είναι ο λόγος του ύψους των κτηρίων προς το πλάτος του δρόμου (H/W) σε
συνδυασμό με τη διεύθυνση του ανέμου, καθώς και η ταχύτητα των οχημάτων. Για κάθε μελέτη, υπολογίζεται
η μέση συγκέντρωση του ρύπου εντός του αστικού φαραγγιού, στο ύψος της αναπνοής. Εξάγεται το συμπέρασμα ότι δυσμενέστερες συνθήκες ως προς την ποιότητα του αέρα προκύπτουν με την αύξηση του λόγου
H/W, καθώς και στην περίπτωση κάθετης ροής ως προς το μήκος των κτηριοσειρών. Επιπροσθέτως, προκύπτει ότι η σχέση μεταξύ της ταχύτητας των οχημάτων και της συγκέντρωσης του ρύπου εντός του αστικού
φαραγγιού, είναι γραμμική και ανάλογη.
Air quality in the built environment is a critical public health issue, with serious impacts on both hu-man health and the environment. Especially in densely built-up areas, constructions form cavities, cre-ating a kind of canyon, where air flow is restricted, resulting in an increase in the concentration of pol-lutants. Vehicle traffic is recognized as the main source of pollutant emissions in these areas. Emission levels are mainly estimated by conventional approaches, which often fail to capture the variability of pollutant concentrations, making it necessary to use advanced methodologies for air quality assess-ment. In the present work, a computational fluid dynamics model is developed in the SolidWorks program, with the aim of investigating air quality in the built environment, based on an experimental procedure of an atmospheric boundary layer wind tunnel scale, which constitutes the case study. After providing basic definitions concerning the subject of the work, and citing data and findings from the scientific literature, the initial stage of the study is the development of the geometry of the urban can-yon and the wind tunnel, based on the case study. The surface sources of the pollutant are considered ideal, so they are simulated with four ground level lines. To simulate the turbulent hydrodynamic field, the modified k-ε turbulence model of Lam & Bremhorst is used. The finite volume method is used to discretize the differential equations of the flow, while the SIMPLE algorithm is applied for the veloci-ty-pressure coupling. The computational domain and the boundary conditions are given based on the case study. At the same time, a Cartesian structured grid is applied, which arises from the principle of the independence of the solution from the grid. For the verification of the model, statistical indicators are utilized with the aim of comparing the results with the experimental data, as well as with the results of two corresponding studies, which use different turbulence models and solution software. Specifically, the LES and SAS models are ex-amined, in the Ansys Fluent software. It arises that the present model shows a better correlation with the experimental data in terms of the simulation of the wind flow field, while with regard to the simu-lation of the dispersion of the pollutant, the LES model becomes more accurate, mainly in the center of the road, while the L-B k-ε model follows, which is more effective at the edges of the road. The results also show that the simulation of the detachment and re-attachment of the boundary layer is achieved. Since the effectiveness of the solution software has not been verified by previous scientific research, the results of the study document the ability of this software to simulate atmospheric flows. Subsequently, parametric studies are performed, to investigate the behavior and dispersion of the pollutant within the urban canyon under different conditions. The parameters examined are the ratio of the height of the buildings to the width of the road (H/W) in combination with the wind direc-tion, as well as the speed of the vehicles. For each study, the average concentration of the pollutant within the urban canyon is calculated, at the height of breathing. It is concluded that more unfavorable conditions in terms of air quality arise with an increase in the H/W ratio, as well as in the case of verti-cal flow with respect to the length of the building rows. Additionally, it appears that the relationship between vehicle speed and pollutant concentration within the urban canyon is linear and proportional.
Air quality in the built environment is a critical public health issue, with serious impacts on both hu-man health and the environment. Especially in densely built-up areas, constructions form cavities, cre-ating a kind of canyon, where air flow is restricted, resulting in an increase in the concentration of pol-lutants. Vehicle traffic is recognized as the main source of pollutant emissions in these areas. Emission levels are mainly estimated by conventional approaches, which often fail to capture the variability of pollutant concentrations, making it necessary to use advanced methodologies for air quality assess-ment. In the present work, a computational fluid dynamics model is developed in the SolidWorks program, with the aim of investigating air quality in the built environment, based on an experimental procedure of an atmospheric boundary layer wind tunnel scale, which constitutes the case study. After providing basic definitions concerning the subject of the work, and citing data and findings from the scientific literature, the initial stage of the study is the development of the geometry of the urban can-yon and the wind tunnel, based on the case study. The surface sources of the pollutant are considered ideal, so they are simulated with four ground level lines. To simulate the turbulent hydrodynamic field, the modified k-ε turbulence model of Lam & Bremhorst is used. The finite volume method is used to discretize the differential equations of the flow, while the SIMPLE algorithm is applied for the veloci-ty-pressure coupling. The computational domain and the boundary conditions are given based on the case study. At the same time, a Cartesian structured grid is applied, which arises from the principle of the independence of the solution from the grid. For the verification of the model, statistical indicators are utilized with the aim of comparing the results with the experimental data, as well as with the results of two corresponding studies, which use different turbulence models and solution software. Specifically, the LES and SAS models are ex-amined, in the Ansys Fluent software. It arises that the present model shows a better correlation with the experimental data in terms of the simulation of the wind flow field, while with regard to the simu-lation of the dispersion of the pollutant, the LES model becomes more accurate, mainly in the center of the road, while the L-B k-ε model follows, which is more effective at the edges of the road. The results also show that the simulation of the detachment and re-attachment of the boundary layer is achieved. Since the effectiveness of the solution software has not been verified by previous scientific research, the results of the study document the ability of this software to simulate atmospheric flows. Subsequently, parametric studies are performed, to investigate the behavior and dispersion of the pollutant within the urban canyon under different conditions. The parameters examined are the ratio of the height of the buildings to the width of the road (H/W) in combination with the wind direc-tion, as well as the speed of the vehicles. For each study, the average concentration of the pollutant within the urban canyon is calculated, at the height of breathing. It is concluded that more unfavorable conditions in terms of air quality arise with an increase in the H/W ratio, as well as in the case of verti-cal flow with respect to the length of the building rows. Additionally, it appears that the relationship between vehicle speed and pollutant concentration within the urban canyon is linear and proportional.
Περιγραφή
Λέξεις-κλειδιά
Ατμοσφαιρική ρύπανση, Ποιότητα αέρα, Υπολογιστική ρευστοδυναμική, Αστικά φαράγγια, Atmosperic pollution, Air quality, Computational fluid dynamics, Urban canyons, SolidWorks