Διασπορά τοξικών αερίων σε κατοικημένες περιοχές

Abstract

Aim of present work constitutes the study of dispersion of toxic gases in residential regions. The forecast of the space and time development of toxic clouds is of vital importance for inhabitants and more specifically for the special task forces that have to confront an incident of release of toxic gases (from accident or terrorist act). From this point of view, the present work placed the basis for an integrated software tool of forecast of the phenomenon. Thus was recommended a new theoretical model which solves the Reynolds Averaged Navier-Stokes and the transport-diffusion equations, while the pressure penalty function is also applied. The model is based also on the Detached Eddy Simulation in combination with the turbulent model Spalart-Allmaras. The employed equations are being solved with use of the finite element method. Moreover the theoretical model contains an empiric approach in order to describe the cloud’s dimensions after an explosion. The innovation of the theoretical model is based on the combination of all of the above and on the fact that these are applied for the first time for the simulation of toxic gas dispersion in residential regions. For the needs of the theoretical model was developed a new mesh generation algorithm HeMUT -Hexahedral Mesher for Urban Terrain. It is based on the combination of geometry decomposition and sweeping of the 2D mesh to 3D. The innovation of the HeMUT algorithm is established mainly owe to its specialisation in urban terrain, to the application of a new technique for the distribution of nodes at the geometry and to the new distortion coefficient that is used for the characterization of mesh quality. A new software the ProMTGD (Prognostic Model for Toxic Gases Dispersion) was developed to host all the above under the .NET Framework. The ProMTGD is perhaps the first software developed at the .NET Framework for the simulation of toxic gases dispersion in residential regions. The evaluation of HeMUT and ProMTGD was satisfactory. More specifically the mesh that is prepared by HEMUT is of high quality, while his performance is compared with similar commercial software. The evaluation of the theoretical model and ProMTGD in total was performed according to literature reference examples and also the directive VDI 3789 part 9.

Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτελεί η μελέτη της διασποράς τοξικών αερίων σε κατοικημένες περιοχές. Η πρόγνωση της χωρικής και χρονικής εξέλιξης ενός τοξικού νέφους είναι ζωτικής σημασίας για τον άνθρωπο και ειδικότερα για τις ειδικές ομάδες αντιμετώπισης περιστατικών απελευθέρωσης τοξικών αερίων (από ατύχημα ή τρομοκρατική ενέργεια). Υπό αυτή την οπτική γωνία, η παρούσα εργασία έθεσε τις βάσεις για ένα ολοκληρωμένο υπολογιστικό εργαλείο πρόγνωσης του φαινομένου. Συστάθηκε, έτσι ένα νέο για την περιοχή θεωρητικό μοντέλο το οποίο επιλύει τις σταθμισμένες κατά Reynolds εξισώσεις Navier-Stokes και μεταφοράς-διάχυσης, ενώ χρησιμοποιείται η συνάρτηση ποινής για την πίεση. Το μοντέλο βασίζεται επίσης στην προσέγγιση Detached Eddy Simulation σε συνδυασμό με το τυρβώδες μοντέλο Spalart-Allmaras. Η επίλυση των εξισώσεων γίνεται με χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Επιπλέον το θεωρητικό μοντέλο περιέχει μία εμπειρική προσέγγιση για να περιγράψει τις διαστάσεις του νέφους έπειτα από έκρηξη. Η καινοτομία του θεωρητικού μοντέλου βασίζεται στο γεγονός ότι όλα τα παραπάνω πιθανότατα συνδυάζονται και εφαρμόζονται για πρώτη φορά για την προσομοίωση της διασποράς τοξικού αερίου σε κατοικημένες περιοχές. Για τις ανάγκες του θεωρητικού μοντέλου σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε ένας νέος αλγόριθμος γένεσης πλέγματος ο HeMUT - Hexahedral Mesher for Urban Terrain. Αυτός βασίζεται στο συνδυασμό της τεχνικής αποδόμησης της γεωμετρίας και της εξώθησης του 2Δ πλέγματος σε 3Δ. Η καινοτομία του αλγόριθμου HeMUT στηρίζεται κατά κύριο λόγο στην εξειδίκευση του σε αστικές γεωμετρίες, στην εφαρμογή μίας νέας τεχνικής για την κατανομή των κόμβων στη γεωμετρία και στον νέο συντελεστή παραμόρφωσης που χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό της ποιότητας του πλέγματος. Για τον συνδυασμό όλων των παραπάνω αναπτύχθηκε ένα νέο λογισμικό, το ProMTGD (Prognostic Model for Toxic Gases Dispersion), το οποίο σχεδιάστηκε στο περιβάλλον του πλαισίου .NET. Το ProMTGD αποτελεί ίσως το πρώτο λογισμικό προσομοίωσης διασποράς αέριων ρύπων σε κατοικημένες περιοχές, που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο .ΝΕΤ. Η αξιολόγηση των HeMUT και ProMTGD ήταν σε γενικές γραμμές ικανοποιητική. Ειδικότερα η ποιότητα του πλέγματος που παρασκευάζεται είναι υψηλή, ενώ η απόδοση του συγκρίνεται με αυτή αντίστοιχων εμπορικών λογισμικών. Η αξιολόγηση του θεωρητικού μοντέλου και του ProMTGD έγινε βάσει βιβλιογραφικών παραδειγμάτων αλλά και της οδηγίας VDI 3789 τμήμα 9.