Study and modelling of flow phenomena in urban street canyons

Abstract

Air pollution is a major health hazard for the people that live in cities. Street-scale Air Quality Models (AQMs) are a cheap and efficient way to study it and provide solutions. AQMs employ empirical parameterisations to include all the complex phenomena of wind flow between buildings. The modelling of the recirculating flows inside street canyons comprises the dominant parameter for the accuracy of the results. This work aims to propose an explicit or implicit description of the recirculation zone. This could improve the ability of street scale AQMs, to predict the concentration of airborne pollutants inside street canyons. To achieve this, a computational fluid dynamics (CFD) model is developed and the results obtained are analyzed with Machine Learning techniques. In the first Chapter the scale of the air pollution problem is presented and the main parameters of the wind flow in street canyons are reviewed. Furthermore, there is a brief discussion on the core assumptions of the most well-known AQMs regarding the recirculation zone and the thesis objectives are outlined. In the second Chapter, the most important flow parameters in street canyons are reviewed and the current approaches of street scale AQMs are discussed. It is highlighted that AQMs divide the street canyon in regions with different flow characteristics. The assumptions behind such divisions originate mainly from experimental studies. After the demonstration of the problem’s complexity, a relatively simple case of perpendicular to the street wind flow is selected for further study. In Chapter 3, the details of the employed numerical methods are presented. These include the Large Eddy Simulation methodology, the respective CFD model in OpenFOAM open source code and the theory behind k-means clustering. In Chapter 4 the extended validation procedure is described. The current model’s results are compared with experimental and CFD data from the literature, presenting satisfactory agreement. In Chapter 5, the predicted wind velocity and pollutant concentration results for the selected geometries are analyzed using the previously described in Chapter 3 list of exploratory techniques. The flow pattern differences for the studied building height to street width ratios are shown, while the importance of source location is demonstrated for the wide canyons. The four expressions which can describe four regions with common flow characteristics inside the canyon, derive from the results obtained from the k-means clustering method. These expressions are strongly dependent on the street canyon dimensions and are also independent of the wind velocity. This constitutes an implicit definition of the recirculation zone, through the parametric description of the velocity field and can be expanded to cover more parameters, such as oblique wind direction. In Chapter 6, the main conclusions from the present thesis are outlined and the physical meaning of the proposed four regions is discussed. Moreover, the future directions and the limitations of the proposed numerical methodology are described. Finally, in the Appendices, there is information for the adopted modifications of OpenFOAM solver and the developed Python scripts for the preprocessing of the LES results for the k-means clustering algorithm.

Η ατμοσφαιρική ρύπανση είναι ένα μείζον ζήτημα για την υγεία των ανθρώπων που ζουν στις πόλεις. Τα ολοκληρωτικά Μοντέλα Ατμοσφαιρικής Ρύπανσης στην κλίμακα των δρόμων είναι ένας φθηνός και αποτελεσματικός τρόπος για να μελετηθεί η ρύπανση και να δοθούν πιθανές λύσεις. Τα Μοντέλα Ατμοσφαιρικής Ρύπανσης χρησιμοποιούν εμπειρικές παραμετροποιήσεις για τα φαινόμενα της ροής αέρα ανάμεσα σε κτίρια. Η μοντελοποίηση των ροών ανακυκλοφορίας σε αστικές χαράδρες είναι μία από τις πλέον σημαντικές παραμέτρους για την ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Ο στόχος αυτής της εργασίας είναι η πρόταση ενός άμεσου ή έμμεσου ορισμού για τη ζώνη ανακύκλωσης. Αυτό θα μπορούσε να βελτιώσει την ικανότητα των Μοντέλων Ατμοσφαιρικής Ρύπανσης, να υπολογίζουν τις συγκεντρώσεις των αερίων ρύπων μέσα στις πόλεις. Για την επίτευξη του στόχου, αναπτύσσεται ένα μοντέλο υπολογιστικής ρευστοδυναμικής και τα αποτελέσματα αναλύονται με τεχνικές Μηχανικής Μάθησης. Συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφονται οι βασικές παράμετροι της ροής του ανέμου μέσα σε αστικές χαράδρες και συζητούνται οι υποθέσεις των πιο γνωστών μοντέλων σχετικά με τη ζώνη ανακύκλωσης. Στο δεύτερο Κεφάλαιο, γίνεται η βιβλιογραφική ανασκόπηση και παρουσιάζονται οι βασικές προσεγγίσεις των Μοντέλων Ατμοσφαιρικής Ρύπανσης στην κλίμακα του δρόμου. Αναδεικνύεται η κοινή στρατηγική των Μοντέλων, που είναι ο χωρισμός της αστικής χαράδρας σε περιοχές με διαφορετικά χαρακτηριστικά ροής. Οι υποθέσεις αυτές πίσω από αυτό το χωρισμό προέρχονται από κυρίως από πειραματικές μετρήσεις. Μετά και την επίδειξη της πολυπλοκότητας του προβλήματος, δικαιολογείται η απόφαση να μελετηθεί περίπτωση της ταχύτητας ανέμου που είναι κάθετη στο δρόμο. Στο Κεφάλαιο 3, περιγράφονται οι λεπτομέρειες και τα χαρακτηριστικά των αριθμητικών μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν. Σε αυτά περιλαμβάνονται η θεωρία της Προσομοίωσης Μεγάλων Δινών, τα χαρακτηριστικά του μοντέλου CFD στο OpenFOAM και η θεωρία της ομαδοποίησης k-means. Στο Κεφάλαιο 4, περιγράφεται η διαδικασία της επαλήθευσης και επικύρωσης του μοντέλου. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με πειραματικά δεδομένα από τη βιβλιογραφία και αποτελέσματα CFD άλλων ερευνητών. Οι συγκρίσεις δείχνουν ότι το μοντέλο CFD είναι επιτυχημένο. Στο Κεφάλαιο 5, μελετώνται τα αποτελέσματα της ταχύτητας του ανέμου και της συγκέντρωσης των ρύπων και αναλύονται με τις τεχνικές που περιεγράφηκαν στο Κεφάλαιο 3. Μελετώνται οι διαφορές στα μοτίβα της ροής για τις μελετημένες αναλογίες ύψους κτιρίου προς πλάτος δρόμου και αναδεικνύεται η σημασία της γνώσης της θέσης της πηγής του ρύπου για τους πλατείς δρόμους. Μελετώνται τα αποτελέσματα της ομαδοποίησης k-means, για να προκύψουν τέσσερεις εξισώσεις που περιγράφουν τέσσερεις περιοχές με κοινά χαρακτηριστικά ροής μέσα στη χαράδρα. Αυτές εξαρτώνται από τις διαστάσεις της αστικής χαράδρας, ενώ είναι ανεξάρτητες της ταχύτητας του ανέμου. Αυτό συνιστά έναν έμμεσο ορισμό της ζώνης ανακύκλωσης, μέσω της περιγραφής του πεδίου της ταχύτητας. Ο ορισμός μπορεί να επεκταθεί για να καλύψει επιπλέον παραμέτρους, όπως η λοξή ταχύτητα ανέμου και οι θερμαινόμενες επιφάνειες. Στο Κεφάλαιο 6, συζητούνται τα συμπεράσματα που προέκυψαν και ερμηνεύεται η φυσική σημασία των τεσσάρων περιοχών που εντοπίστηκαν. Επίσης, συζητούνται οι περιορισμοί της παρούσας εργασίας και κάποιες προτάσεις για μελλοντική διερεύνηση. Τέλος, στα Παραρτήματα υπάρχει η παρουσίαση των μετατροπών στο αλγόριθμο επίλυσης του OpenFOAM και ο κώδικας που αναπτύχθηκε στην Python για την εφαρμογή της ομαδοποίησης k-means στα αποτελέσματα της Προσομοίωσης Μεγάλων Δινών.