Προσομοιώσεις πεδίου ροής και πεδίου συγκέντρωσης ρύπων στην ατμόσφαιρα

Abstract

Numerical simulations of flow field and pollutants concentration field in the atmosphere is the objective of this dissertation. The final aim is the computation of ultrafine particles concentration, developed by computational fluid dynamics tools, in an urban street canyon, an environment with high population exposure to air pollution. Ultrafine particles, that have become a research peak in aerosol science, are considered as the particulate fraction with the most serious adverse health effects. The main part of this dissertation is based on the mesoscopic method of computational fluid dynamics (CFD), lattice Boltzmann. A tailor made model lattice Boltzmann has been developed and applied, for the needs of the current research effort. The model evaluation showed that flow field and concentration field of UFP in a street canyon, are in accordance with other research efforts. Its satisfactory reliability and the fitness for the simulation of the phenomenon, with relatively small required computational power, have been emerged. In addition, UFP field measurements have been exploited so much for the evaluation of model’s attribution as much as for the computation of UFP emission source rates from vehicles (necessary as input data for the model). Its satisfactory ability and appropriateness, for the successful application of the phenomenon, has been found with relatively little computing power.This dissertation is a first research attempt of the development and the application of the lattice Boltzmann method, for the simulation of air pollutants field, and especially of ultrafine particles concentration field. Most recent studies, concerning ultrafine particles adverse health effects, orient the total research effort to a further study of the relationship between UFP emissions from vehicles, and its inhalation from some population subgroups. The application of the intake fraction (iF) parameter, for an emitted air pollutant in the atmosphere from a specific source, which finally is inhaled by a population subgroup in a specific microenvironment, was considered a necessity. Exposure assessment of population subgroups to air pollution, expressed to concentration levels of pollutants in the atmosphere, is now concerned as an outdated and an ineffective approach. The application of the modern parameter iF is the first stage of a total dosimetry study (source-to-dose relationships) of an air pollutant to the human organism, for the assessment of adverse health effects (source-to-health effects). Its application in a street canyon scale is limited and doesn’t exist until now, with the use of a computational fluid dynamic tool. The required concentration field of UFP in the street canyon, for iF estimation of different population subgroups emerged from α first publicated application of a suitable three dimensional CFD model. The application results of iF method shows its utility a) to assessment topics of different population subgroups, in a specific microenvironment with high concentrations levels of air pollutants b) to prioritize sources with the greatest impact on population exposure c) to promote the seriousness of environmental justice issues in relation to the exposure to air pollution. It is an integrated tool for the successful design, of air pollution reduction policies of air pollution and the effective protection of public health.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη προσομοιώσεων πεδίου ροής και πεδίου συγκέντρωσης ρύπων στην ατμόσφαιρα. Η τελική στόχευση είναι ο υπολογισμός πεδίου συγκεντρώσεων υπέρλεπτων σωματιδίων (UFP), με εργαλεία υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD), μέσα σε ένα αστικό οδικό φαράγγι, ένα περιβάλλον με υψηλή έκθεση πληθυσμού σε αέρια ρύπανση. Τα υπέρλεπτα σωματίδια που αποτελούν «αιχμή έρευνας» στην επιστήμη των αερολυμάτων, θεωρούνται ως το σωματιδιακό κλάσμα με τις σοβαρότερες αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία. Το κύριο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής στηρίζεται στη μεσοσκοπική μέθοδο υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD) lattice Boltzmann. Ένα ειδικά σχεδιασμένο για τις ανάγκες της συγκεκριμένης ερευνητικής προσπάθειας μοντέλο lattice Boltzmann αναπτύχθηκε και εφαρμόσθηκε. Κατά την αξιολόγηση του μοντέλου προέκυψε ότι τα πεδία ροής και τα πεδία συγκέντρωσης UFP μέσα σε ένα αστικό οδικό φαράγγι είναι σε συμφωνία με άλλες ερευνητικές προσπάθειες. Επιπλέον αξιοποιήθηκαν μετρήσεις πεδίου UFP στο συγκεκριμένο μικροπεριβάλλον, τόσο για την αξιολόγηση της απόδοσης του μοντέλου όσο και για τον υπολογισμό των ρυθμών εκπομπής UFP από οχήματα (απαραίτητων ως δεδομένα εισόδου του μοντέλου). Διαπιστώθηκε η ικανοποιητική αξιοπιστία και η καταλληλότητα του για την επιτυχή προσομοίωση του φαινομένου, με σχετικά μικρή απαιτούμενη υπολογιστική ισχύ.Η συγκεκριμένη διατριβή αποτελεί μία πρώτη προσπάθεια, σε ερευνητικό επίπεδο, ανάπτυξης και εφαρμογής της μεθόδου lattice Boltzmann για την προσομοίωση πεδίου συγκέντρωσης ατμοσφαιρικών ρύπων και ειδικότερα υπέρλεπτων σωματιδίων. Τα αποτελέσματα των πλέον πρόσφατων μελετών που αφορούν στην επικινδυνότητα των υπέρλεπτων σωματιδίων, προσανατολίζουν την όλη προσπάθεια στην περαιτέρω μελέτη της σχέσης μεταξύ εκπομπών UFP από οχήματα και της εισπνοής τους από διάφορες υποομάδες πληθυσμού. Κρίθηκε αναγκαία η χρήση της παραμέτρου iF (κλάσμα εισπνοής) για τον υπολογισμό του κλάσματος ενός ατμοσφαιρικού ρύπου που εκπέμπεται στην ατμόσφαιρα από μία συγκεκριμένη πηγή, και που τελικά εισπνέεται από μία υποομάδα πληθυσμού σε ένα συγκεκριμένο μικροπεριβάλλον. Η εκτίμηση της έκθεσης υποομάδων πληθυσμού στην ατμοσφαιρική ρύπανση, απλά σε επίπεδα συγκέντρωσης ρύπων στην ατμόσφαιρα, αποτελεί πλέον μία ξεπερασμένη και ατελέσφορη προσέγγιση. Η εφαρμογή τη σύγχρονης παραμέτρου iF (intake fraction) αποτελεί το αρχικό στάδιο μελέτης της όλης δοσιμετρίας (source-to-dose relationships) ενός σωματιδιακού ρύπου στον ανθρώπινο οργανισμό, για την εκτίμηση πιθανών αρνητικών επιπτώσεων στην υγεία (source-to-health effects). Η χρήση τη σε επίπεδο αστικού περιβάλλοντος μικρής κλίμακας όπως ένα οδικό φαράγγι είναι περιορισμένη. Τα απαιτούμενα πεδία συγκέντρωσης υπέρλεπτων σωματιδίων μέσα στο οδικό φαράγγι, για τον υπολογισμό των τιμών της παραμέτρου iF για διαφορετικές υποομάδες πληθυσμού, προέκυψαν από μία πρώτη δημοσιευμένη εφαρμογή κατάλληλου τρισδιάστατου μοντέλου CFD. Τα αποτελέσματα εφαρμογής της μεθόδου iF αναδεικνύουν την χρησιμότητα της α) σε θέματα εκτίμησης έκθεσης διαφορετικών υποομάδων πληθυσμού, μέσα σε ένα συγκεκριμένο μικροπεριβάλλον με υψηλές συγκεντρώσεις ατμοσφαιρικών ρύπων β) στον κατά προτεραιότητα προσδιορισμό της πηγής με την μεγαλύτερη συμβολή στην έκθεση πληθυσμού γ) στην ανάδειξη της σοβαρότητας θεμάτων περιβαλλοντικής δικαιοσύνης σε σχέση με την έκθεση σε ατμοσφαιρική ρύπανση. Αποτελεί ένα ολοκληρωμένο εργαλείο για τον επιτυχή σχεδιασμό πολιτικών μείωσης εκπομπών αέριας ρύπανσης και αποτελεσματικής προστασίας της δημόσιας υγείας