Θεωρητική και πειραματική αξιολόγηση των μικροκλιματικών χαρακτηριστικών σε βαθιές αστικές χαράδρες

Abstract

The research of the present thesis concerns, a theoretical and experimental study of the phenomena that associate with the micro-climate characteristics that dominates in deep urban canyons and especially, the estimation of wind flow characteristics and their air gradient. The first chapter of this thesis is about the microclimate of a city. The main characteristics of the wind flow inside the urban boundary layer and the urban canopy layer are representing. The second part of the present thesis concerns the theoretical approach of the phenomena correlating to the wind flow inside street canyons. Quantitative and qualitative analysis of the wind flow characteristics are mentioned along with the flow around a building. The third chapter of this thesis is about the detailed presentation of the experimental procedure and the description of the field studies were measurements took place. As a result an extended experimental database, concerning wind flow characteristics inside a city, was derived. In the fourth part of this thesis, the experimental data are analyzed and the flow inside all canyons is explained in qualitative terms. A detailed statistical data processing and physical interpretation of all measured data, in each field study, carried out. In the fifth chapter the accuracy of computational fluid dynamics models, in order to predict wind speed inside deep urban canyons, was examined. A micro scale model was employed, in order to perform a three-dimensional modelling and to predict the wind field, within three of the five deep street canyons for the experimental boundary conditions. It was proved that the simulations of the model depicted only shots of the flow inside a deep canyon. The aim of the next chapter was the contribution to prediction methods for wind speed inside deep urban canyons. The accuracy of analytical algorithms was valued. The comparison between measured and computed wind speed values, derived from the semi-empirical model, resulted into agreement only for the case were a coupling between the flow above and inside the canyon was obtained. Because of the impossibility of analytical algorithms and computational fluid models to predict wind speed, a statistical methodology was developed. Data driven and fuzzy techniques able to estimate the wind speed in urban canyons were proposed. All methods have been compared against the experimental data. The developed methodologies are strictly valid inside the limits of the experimental data and the values of the independent variables. In the last chapter of this thesis the main conclusion of the above mentioned study are mentioned, concerning the prediction of wind speed and the gradient of air temperature, inside deep urban canyons. Ideas for the forthcoming work in the specific scientific field are proposed.

Η έρευνα που εκπονήθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής αφορά, την θεωρητική και πειραματική μελέτη των φαινομένων που σχετίζονται με τα μικροκλιματικά χαρακτηριστικά που επικρατούν σε βαθιές αστικές χαράδρες και ειδικότερα, η εκτίμηση των χαρακτηριστικών της κίνησης των αερίων μαζών και της βαθμίδας της θερμοκρασίας τους. Στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής, παρουσιάζονται αναλυτικά τα χαρακτηριστικά της κίνησης και της κατανομής του αέρα στο ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα καθώς και στο στρώμα των κτηρίων. Η υπάρχουσα θεωρητική προσέγγιση των φαινομένων που σχετίζεται με την κίνηση του αέρα, μέσα σε βαθιές αστικές χαράδρες, παρουσιάζεται στο δεύτερο κεφάλαιο της παρούσας μελέτης. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής σχεδιάστηκε, κατασκευάσθηκε και λειτούργησε κινητή μονάδα εδικών μετεωρολογικών και κλιματικών μετρήσεων ώστε να είναι δυνατή η συλλογή και απεικόνιση της καθ’ ύψους μεταβολής κλιματικών μεγεθών όπως η ταχύτητα, η διεύθυνση και η θερμοκρασία του αέρα. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται εκτενής περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας που σχεδιάσθηκε και έλαβε χώρα. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύονται τα πειραματικά αποτελέσματα και εξηγείται ποιοτικά η κατανομή του ανέμου σε κάθε μία από τις πειραματικές διατάξεις. Ακολούθησε η διεξοδική φυσική ερμηνεία και στατιστική επεξεργασία όλων των καταμετρούμενων μετεωρολογικών τιμών, ανά αστική χαράδρα. Στο πέμπτο κεφάλαιο διερευνάται η υπολογιστική ακρίβεια πρόγνωσης μοντέλων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD), σε βαθιές αστικές χαράδρες. Εφαρμόζεται υπάρχον υπολογιστικό μοντέλο δυναμικής των ρευστών, και υπολογίζονται θεωρητικά τα χαρακτηριστικά της κίνησης του αέρα σε κάθε μια από τις πειραματικές διατάξεις για τις πειραματικές οριακές συνθήκες. Διαπιστώθηκαν σημαντικές αδυναμίες πρόβλεψης των ρευστοδυναμικών μοντέλων. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων προσέγγισαν περισσότερο ποιοτικά παρά ποσοτικά την κίνηση των αερίων μαζών στις υπό εξέταση αστικές χαράδρες. Με στόχο την συμβολή στην ανάπτυξη προγνωστικής μεθόδου για την ταχύτητα του ανέμου σε βαθιές αστικές χαράδρες, εκτιμήθηκε η ακρίβεια αναλυτικών αλγόριθμων πρόβλεψης. Πραγματοποιήθηκε λεπτομερής σύγκριση των υπαρχόντων αναλυτικών αλγόριθμων με το σύνολο των πειραματικών δεδομένων. Διαπιστώνεται εξαιρετικά ικανοποιητική ακρίβεια πρόβλεψης της ταχύτητας του αέρα μόνο στην περίπτωση όπου επιτυγχάνεται σύζευξη της ροής στο ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα και το στρώμα των κτηρίων. Δεδομένης της αδυναμίας, των αναλυτικών και ρευστομηχανικών μοντέλων πρόβλεψης, αναπτύσσεται στο έβδομο κεφάλαιο στατιστική προβλεπτική μεθοδολογία. Αναπτύσσονται έλεγχοι μεταβλητής πολυπλοκότητας «οδηγούμενοι από δεδομένα» για την πρόβλεψη της πλέον πιθανής ταχύτητας του άνεμου. Χρησιμοποιούνται νευρωνικά δίκτυα για την εκπαίδευση και δημιουργία των ασαφών κανόνων πρόβλεψης. Διαπιστώνεται εξαιρετική ακρίβεια πρόβλεψης εντός των πλαισίων διακύμανσης των ανεξάρτητων και εξαρτημένων πειραματικών μεταβλητών. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρατίθενται τα σημαντικότερα συμπεράσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Επίσης, παρατίθενται προτάσεις για την συνέχιση της έρευνας στο συγκεκριμένο ερευνητικό αντικείμενο.