Αριθμητική μελέτη χαρακτηριστικών ροής ανέμου και διασποράς ρυπαντών σε μια τυπική αστική οδική χαράδρα των Αθηνών

Abstract

The main objective of this thesis is the numerical study of airflow and pollutant dispersion within urban street canyons for various scenarios of street geometries, wind characteristics and thermal stratification. In this context, a new two-dimensional flow solver based on the Navier-Stokes equations and the finite volume method was developed to simulate incompressible laminar or turbulent viscous flow fields. The computational code incorporates a local grid refinement technique in order to increase the numerical accuracy in areas of particular interest keeping computational effort low. Additionally, inclined to the flow direction wall boundaries are implemented on Cartesian meshes with the aim to simulate the flow field developed around complex curvilinear geometries. The algebraic system of the discretized differential equations is solved utilizing an extension of the ADI algorithm for unstructured grids, which was also developed. The overall method is extended to three dimensions in order to study the flow field within complex topography of cities. Simulations revealed that where one primary vortex is developed, high levels of pollutants are found in the leeward side of street canyons. Convection proves to be the principal mechanism of transport within canyons while the mechanism of pollutant dispersion from street canyons to the outside flow layers is turbulent diffusion and the possible unsteadiness of flow fields. In cases where buildings have inclined roofs, mechanisms of pollutant dispersion vary considerably due to the appearance of double structure vortices. When unstable stratification prevails, an increase in the intensity of the vertical movements and the dominant recirculation is observed. Thermal instability favors pollutant dispersion and increases the unsteadiness of flow fields. When intensive temperature stability occurs, the levels of turbulent kinetic energy and velocity speed are significantly reduced. The numerical investigation of wind flow and pollutant dispersion in a large area of Athens indicates that the pollutant levels depend heavily on the geometric asymmetry of the street canyons, the roofs’ geometry and the angle between the prevailing wind direction and the roads. Open space areas within building complex seem to be places where levels of pollution appear low.

Ο βασικός στόχος της παρούσας διατριβής είναι η αριθμητική μελέτη της ροής του αέρα και της διασποράς ρύπων σε οδικές χαράδρες για διάφορα σενάρια γεωμετριών των οδικών χαραδρών, πνέοντος ανέμου και θερμοκρασιακής διαστρωμάτωσης. Σε αυτά τα πλαίσια αναπτύχθηκε νέος διδιάστατος υπολογιστικός κώδικας ο οποίος έχει την δυνατότητα προσομοίωσης στρωτής ή τυρβώδους ασυμπίεστης συνεκτικής ροής, επιλύοντας τις εξισώσεις Navier-Stokes με την μέθοδο των πεπερασμένων όγκων. Στον υπολογιστικό κώδικα ενσωματώθηκε μια τεχνική τοπικής πύκνωσης του υπολογιστικού πλέγματος με σκοπό την αύξηση της υπολογιστικής ακρίβειας σε περιοχές ιδιαίτερου ενδιαφέροντος με μικρό υπολογιστικό κόστος. Επιπλέον, αναπτύχθηκε μία νέα τεχνική διαχείρισης κεκλιμένων τοιχωμάτων, με σκοπό την επίλυσης της ροής γύρω από καμπυλόγραμμες γεωμετρίες σε καρτεσιανά πλέγματα. Η επίλυση των εξισώσεων ροής πραγματοποιείται με την επαναληπτική σάρωση του υπολογιστικού χωρίου επεκτείνοντας την μεθοδολογία ADI σε μη δομημένα πλέγματα. Η υπολογιστική μέθοδος επεκτάθηκε και στις τρεις διαστάσεις για την μελέτη του πεδίου ροής σε σύνθετη τοπογραφία πόλης. Στις περιπτώσεις που είναι κυρίαρχη μια δίνη στην οδική χαράδρα, εντοπίζονται υψηλά επίπεδα ρύπων στην υπήνεμη πλευρά των δρόμων. Ο κυρίαρχος μηχανισμός μεταφοράς τους είναι η συναγωγή, ενώ ο μηχανισμός απεγκλωβισμού τους από τις οδικές χαράδρες είναι η τυρβώδης διάχυσης αλλά και η τυχόν μη μονιμότητα του ροϊκού πεδίου. Σε περιπτώσεις όπου τα κτίρια έχουν κεκλιμένες οροφές διαφοροποιείται σημαντικά ο μηχανισμός διασποράς ρύπων λόγω της εμφάνισης διπλών ανακυκλοφοριών. Όταν κυριαρχεί ασταθής διαστρωμάτωση, διαπιστώνεται η αύξηση της έντασης των κατακόρυφων κινήσεων και της κυρίαρχης ανακυκλοφορίας. Η θερμοκρασιακή αστάθεια ευνοεί την διασπορά ρύπων, ενώ συντελεί στην αύξηση της μη-μονιμότητας των πεδίων ροής. Σε περιπτώσεις έντονης θερμοκρασιακής ευστάθειας, μειώνονται σημαντικά τα επίπεδα τυρβώδους κινητικής ενέργειας αλλά και τα επίπεδα του μέτρου των ταχυτήτων. Η αριθμητική διερεύνηση του πεδίου ροής και της διασποράς ρύπων σε μία εκτεταμένη περιοχή των Αθηνών υποδεικνύει ότι τα επίπεδα ρύπων εξαρτώνται σημαντικά από την ασυμμετρία των οδικών χαραδρών, την γεωμετρία των «σκεπών» και την κλίση των οδικών αξόνων ως προς την επικρατούσα κατεύθυνση ανέμου. Ακάλυπτοι χώροι οικοδομικών τετραγώνων έχουν συνήθως χαμηλά επίπεδα ρύπανσης.