Τυρβώδης ροή και διασπορά ρύπων στο αστικό περιβάλλον

Abstract

In this thesis, a Large Eddy Simulation (LES) computational methodology was developed and applied in various problems concerning the wind flow and the dispersion of air pollutants among buildings. The Large Eddy Simulation is a Computational Fluid Dynamics (CFD) methodology, which makes possible the detailed transient computation of the fluid flow and the analysis of large eddies of turbulence. The LES is particularly suitable for the study of unstable turbulent flow phenomena occurring in urban geometries. The developed LES methodology was integrated into the pre-existing CFD code ADREA-HF. It uses among others, a novel method of artificial-turbulence generation for use in boundary conditions of the computational domain, based on a generalized Langevin-type equation. The LES methodology was validated in various modelling cases including fully developed flow in a channel and flow and pollutant dispersion in street canyons. More complex cases were also examined. Those included hydrogen release and dispersion in confined spaces, flow and dispersion of pollutants in asymmetric street canyons, flow over a very rough surface and flow and dispersion of pollutants in an original semi-idealized city geometry. In all cases examined, the comparison of computational results with experimental measurements was successful. Thus, the developed methodology has proven to be a reliable tool, suitable for flow and dispersion studies in the urban environment. Apart from the LES, the simplest RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) methodology was also used. The relative merits of the two methodologies were identified and the possibility of their complementary use in the same problem was highlighted. In each application examined, mainly issues on which there was a gap in the literature were studied. Among others, the pollutant exhaust mechanisms in asymmetric street canyons were specified and the critical height ratio below which two vortices are formed in step-down canyons was determined. Also, unsteady flow phenomena in the semi-idealized city were studied, revealing important features such as gusts, pollutant ejections, non-Gaussian velocity probability density functions and mechanisms of creation of coherent structures (especially hairpin vortices) of turbulence. It is concluded that the LES methodology, opens new horizons in the study of turbulent flow and pollutant dispersion in the urban environment.

Στην παρούσα διατριβή έγινε ανάπτυξη υπολογιστικής μεθοδολογίας μοντελοποίησης μεγάλων δινών και χρήση της σε προβλήματα μελέτης της ροής του ανέμου και της διασποράς αέριων ρύπων ανάμεσα σε κτίρια. Η μοντελοποίηση μεγάλων δινών (Large Eddy Simulation – LES) είναι μια μεθοδολογία υπολογιστικής ρευστομηχανικής (Computational Fluid Dynamics – CFD) με την οποία είναι δυνατή η λεπτομερής χρονική επίλυση της ροής και η ανάλυση των μεγάλων δινών της τύρβης. Έτσι η LES ενδείκνυται ιδιαίτερα για μελέτη των ασταθών τυρβωδών ροϊκών φαινομένων που συμβαίνουν σε αστικές γεωμετρίες. Η μεθοδολογία LES που αναπτύχθηκε ενσωματώθηκε σε προϋπάρχοντα κώδικα CFD, τον ADREA-HF. Η αναπτυχθείσα LES χρησιμοποιεί μεταξύ των άλλων και μια πρωτότυπη μέθοδο δημιουργίας τεχνητής ψευδοτύρβης για χρήση σε οριακές συνθήκες του υπολογιστικού χωρίου, η οποία βασίζεται σε μια γενικευμένη εξίσωση τύπου Langevin. Για πιστοποίηση του κώδικα έγιναν μοντελοποιήσεις πλήρως ανεπτυγμένης ροής σε κανάλι, αλλά και ροής και διασποράς ρύπων σε οδικές χαράδρες. Επίσης εξετάστηκαν και πιο σύνθετες περιπτώσεις, όπως έκλυση και διασπορά υδρογόνου σε κλειστούς χώρους, ροή και διασπορά ρύπων σε ασύμμετρες οδικές χαράδρες, ροή πάνω από πολύ μεγάλη τραχύτητα εδάφους και τέλος ροή και διασπορά ρύπων σε μια πρωτότυπη γεωμετρία ημι-εξιδανικευμένης πόλης. Στις εφαρμογές που μελετήθηκαν έγινε επιτυχής σύγκριση με πειραματικά δεδομένα, οπότε η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε αποδείχθηκε αξιόπιστη. Εκτός από την LES, χρησιμοποιήθηκε και η απλούστερη μεθοδολογία RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes), προσδιορίστηκε ο σχετικός ρόλος των δύο μεθοδολογιών και αναδείχθηκαν οι δυνατότητες συμπληρωματικής χρήσης τους στο ίδιο πρόβλημα. Σε κάθε πρακτική εφαρμογή που εξετάστηκε, μελετήθηκαν κυρίως θέματα στα οποία υπήρχε κενό στη βιβλιογραφία. Μεταξύ άλλων προσδιορίστηκαν οι μηχανισμοί απαγωγής των ρύπων σε ασύμμετρες οδικές χαράδρες και υπολογίστηκε για πρώτη φορά ο κρίσιμος λόγος υψών για δημιουργία δύο στροβίλων σε χαράδρες μείωσης αναβαθμού. Επίσης μελετήθηκαν λεπτομερώς ασταθή ροϊκά φαινόμενα και τυρβώδεις δομές στην ημι-εξιδανικευμένη πόλη, αποκαλύπτοντας φαινόμενα όπως ριπές ανέμου, εξωθήσεις ρύπου, μη-γκαουσιανές κατανομές ταχυτήτων, αλλά και μηχανισμούς δημιουργίας κάποιων συνεκτικών δομών της τύρβης (ιδίως πεταλοειδών στροβίλων). Με τη μεθοδολογία LES, ανοίγονται νέοι ορίζοντες στη μελέτη της τυρβώδους ροής και της διασποράς ρύπων στο αστικό περιβάλλον.