Ανάπτυξη βελτιωμένης μεθοδολογίας υπολογισμού διασποράς ατμοσφαιρικών ρύπων σε σύνθετες αστικές γεωμετρίες

Abstract

The present study aims to develop, verify and validate a novel methodology for increasing the accuracy of numerical simulations for the dispersion of atmospheric pollutants in urban areas. Towards this aim, a study of the resulting change of the numerical results under different initial inlet boundary conditions for the vertical profile of the Atmospheric Boundary Layer in urban areas was realized. As a first step and in order to outline the study, the main features of the ABL, the computation area of a microscale model, and the computational framework of the model were reviewed. A numerical property of the microscale model is that vertical distribution of the mean velocity and the turbulent quantities of the ABL must preserve horizontal homogeneity upstream and downstream of the obstacles that are explicitly solved. The initial boundary conditions that are normally applied for the description of the vertical profile of the ABL do not agree with field measurements while at the same time the profiles obtained by measurements do not yield horizontal homogeneity. In view of this, within the frame of the present study the resulting changes in model results as a function of the initial boundary condition applied were examined. Furthermore, an innovative approach for the generation of optimal initial boundary conditions for the vertical profile of the ABL based on the power law for the description of the mean speed was proposed, verified and validated. Towards the validation of the proposed approach a complete and thorough methodological framework was utilized. First, the case of two-dimensional atmospheric flow over rough terrain, and then the three-dimensional case of the same field in the presence of a single surface-mounted cube was considered. At a second level the case of multiple obstacles was examined and the computational framework was completed with the study of inert pollutant dispersion for the aforementioned array of buildings. The modelling results were compared both with wind-tunnel data and with other published results from previous studies. Overall, the proposed boundary conditions produced better results, particularly for turbulent kinetic energy and the pollutant concentration. The importance of this innovative description of the vertical distribution was further examined in two practical studies by comparing the original results and the results obtained by simulations under the proposed boundary conditions. The first study examined the application of a coupled mescoscale-microscale model. The second case regarded the dispersion study in an urban canyon. In both cases results revealed that the employment of the new suggested initial boundary conditions can indeed lead to an improvement of the accuracy of the numerical estimates, thus proving the significance of selecting the optimal boundary conditions in any atmospheric flow problem considered.

Η παρούσα εργασία έχει ως στόχο την ανάπτυξη μιας βελτιωμένης μεθοδολογίας υπολογισμού διασποράς ατμοσφαιρικών ρύπων σε σύνθετες αστικές γεωμετρίες. Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε η μελέτη της μεταβολής των αριθμητικών αποτελεσμάτων στη διασπορά αέριων ρύπων σε αστικές περιοχές υπό οριακές συνθήκες που περιγράφουν το Οριακό Ατμοσφαιρικό Στρώμα (ΑΟΣ), που αποτελεί το κατώτερο στρώμα της Ατμόσφαιρας. Βασική γνώση για την ανάπτυξη μεθοδολογίας αποτελούν η κατακόρυφη κατανομή του ΑΟΣ, ο ορισμός του υπολογιστικού πεδίου ενός μοντέλου μικροκλίμακας καθώς και η αριθμητική προσέγγιση λαμβάνοντας υπόψη την ανάγκη για υψηλή διακριτοποίηση των αστικών δομών. Η προτεινόμενη μεθοδολογία, που βασίζεται σε αυτή την προσέγγιση προϋποθέτει ότι η κατακόρυφη κατανομή της μέσης ταχύτητας και των παραμέτρων τύρβης εντός του ΑΟΣ διατηρούν την οριζόντια ομοιογένεια στην περιοχή ανάντη και κατάντη των εμποδίων που επιλύονται ρητά. Οι καθιερωμένες και ευρέως διαδεδομένες οριακές συνθήκες για την περιγραφή του ΑΟΣ που το επιτυγχάνουν αποκλίνουν αισθητά από επιτόπιες μετρήσεις ενώ αντίστοιχα η χρήση μετρήσεων πεδίου στο μοντέλο μπορεί να είναι προβληματική καθώς δεν διατηρείται η ζητούμενη ομοιογένεια. Πάνω σε αυτή την ιδιότητα, στην παρούσα εργασία εξετάζεται η μεταβολή των αποτελεσμάτων του μοντέλου ανάλογα με τη χρησιμοποιούμενη οριακή συνθήκη και επιπλέον αναπτύσσεται, πιστοποιείται και εφαρμόζεται μια καινοτόμα προσέγγιση που βασίζεται στην εκθετική περιγραφή της μέσης ταχύτητας. Ο σκοπός είναι η δημιουργία της κατάλληλη κατακόρυφης κατανομής για την περιγραφή των τυρβωδών ιδιοτήτων του ΑΟΣ, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συνθήκες όπου ο εκθετικός νόμος για τη μέση ταχύτητα έχει πιο ισχυρή θεώρηση. Για τη συγκριτική θεώρηση των οριακών συνθηκών συγκροτήθηκε ένα πλήρες και διεξοδικό υπολογιστικό πλαίσιο. Αρχικά μελετήθηκε η περίπτωση της δισδιάστατης προσομοίωσης της ατμοσφαιρικής ροής πάνω από τραχύ έδαφος και έπειτα η τρισδιάστατη επίλυση του ίδιου πεδίου με την παρουσία ενός μοναδικού εμποδίου που εδράζεται στο έδαφος. Εν συνεχεία εξετάστηκε η περίπτωση πολλαπλών εμποδίων και το συγκριτικό πλαίσιο ολοκληρώθηκε με μελέτη διασποράς ρύπου για την περίπτωση πολλών κτηρίων. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις παραπάνω αριθμητικές προσομοιώσεις αξιολογήθηκαν βάσει συγκρίσεων με μετρήσεις σε αεροσήραγγα και με δημοσιευμένα αποτελέσματα άλλων ερευνητών. Σε γενικές γραμμές, οι οριακές συνθήκες που προτάθηκαν παρήγαγαν καλύτερα αποτελέσματα, ιδίως στα αποτελέσματα της τυρβώδους κινητικής ενέργειας και της συγκέντρωσης του αδρανούς ρύπου. Η πρακτική σημασία της προτεινόμενης οριακής συνθήκης εξετάζεται σε δύο περιπτώσεις όπου μελετάται η μεταβολή των αποτελεσμάτων μεταξύ της αρχικής και της νέας επίλυσης. Η πρώτη περίπτωση αφορά αποτελέσματα που προκύπτουν από τη σύζευξη μοντέλου μεσοκλίμακας-μικροκλίμακας Η δεύτερη περίπτωση αφορά μελέτη διασποράς αδρανούς ρύπου εντός αστικής χαράδρας. Και στις δύο περιπτώσεις υπήρξε μεταβολή στα παραγόμενα αποτελέσματα που καταδεικνύει τη σημασία της επιλογής των κατάλληλων οριακών συνθηκών κατά περίπτωση.