Air pollution is probably the single largest environment risk to health and urban streets are the localized, relevant hotspots. Numerous studies reviewed the state-of-the-art models, proposed best-practice guidelines and explored, using various software, how different approaches (e.g., Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS), large eddy simulations (LES)) inter-compare. Open source tools are continuously attracting interest but lack of similar, extensive and comprehensive investigations. At the same time, their configuration varies significantly among the related studies leading to non-reproducible results. Therefore, the typical quasi-2D street canyon geometry was selected to employ the well-known open-source software OpenFOAM and to investigate and validate the main parameters affecting LES transient simulation of a pollutant dispersion. In brief, domain height slightly affected street level concentration but source height had a major impact. All sub-grid scale models predicted the velocity profiles adequately, but the k-equation SGS model best-resolved pollutant dispersion. Finally, an easily reproducible LES configuration is proposed that provided a satisfactory compromise between computational demands and accuracy.
Air pollution is a major health hazard for the population that increasingly lives in cities. Street-scale Air Quality Models (AQMs) are a cheap and efficient way to study air pollution and possibly provide solutions. Having to include all the complex phenomena of wind flow between buildings, AQMs employ several parameterisations, one of which is the recirculation zone. Goal of this study is to derive an implicit or explicit definition for the recirculation zone from the flow in street canyons using computational fluid dynamics (CFD). Therefore, a CFD-Large Eddy Simulation model was employed to investigate street canyons with height to width ratio from 1 to 0.20 under perpendicular wind direction. The developed dataset was analyzed with traditional methods (vortex visualization criteria and pollutant dispersion fields), as well as clustering methods (machine learning). Combining the above analyses, it was possible to extract qualitative features that agree well with literature but most importantly to develop quantitative expressions that describe their topology. The extracted features’ topology depends strongly on the street canyon dimensions and not surprisingly is independent of the wind velocity. The developed expressions describe areas with common flow characteristics inside the canyon and thus they can be characterised as an implicit definition for the recirculation zone. Furthermore, the presented methodology can be further applied to cover more parameters such us oblique wind direction and heated-facades and more methods for data analysis.
Η ατμοσφαιρική ρύπανση είναι ένα μείζον ζήτημα για την υγεία των ανθρώπων που ζουν στις πόλεις. Τα ολοκληρωτικά Μοντέλα Ατμοσφαιρικής Ρύπανσης στην κλίμακα των δρόμων είναι ένας φθηνός και αποτελεσματικός τρόπος για να μελετηθεί η ρύπανση και να δοθούν πιθανές λύσεις. Τα Μοντέλα Ατμοσφαιρικής Ρύπανσης χρησιμοποιούν εμπειρικές παραμετροποιήσεις για τα φαινόμενα της ροής αέρα ανάμεσα σε κτίρια. Η μοντελοποίηση των ροών ανακυκλοφορίας σε αστικές χαράδρες είναι μία από τις πλέον σημαντικές παραμέτρους για την ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Ο στόχος αυτής της εργασίας είναι η πρόταση ενός άμεσου ή έμμεσου ορισμού για τη ζώνη ανακύκλωσης. Αυτό θα μπορούσε να βελτιώσει την ικανότητα των Μοντέλων Ατμοσφαιρικής Ρύπανσης, να υπολογίζουν τις συγκεντρώσεις των αερίων ρύπων μέσα στις πόλεις. Για την επίτευξη του στόχου, αναπτύσσεται ένα μοντέλο υπολογιστικής ρευστοδυναμικής και τα αποτελέσματα αναλύονται με τεχνικές Μηχανικής Μάθησης. Συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφονται οι βασικές παράμετροι της ροής του ανέμου μέσα σε αστικές χαράδρες και συζητούνται οι υποθέσεις των πιο γνωστών μοντέλων σχετικά με τη ζώνη ανακύκλωσης. Στο δεύτερο Κεφάλαιο, γίνεται η βιβλιογραφική ανασκόπηση και παρουσιάζονται οι βασικές προσεγγίσεις των Μοντέλων Ατμοσφαιρικής Ρύπανσης στην κλίμακα του δρόμου. Αναδεικνύεται η κοινή στρατηγική των Μοντέλων, που είναι ο χωρισμός της αστικής χαράδρας σε περιοχές με διαφορετικά χαρακτηριστικά ροής. Οι υποθέσεις αυτές πίσω από αυτό το χωρισμό προέρχονται από κυρίως από πειραματικές μετρήσεις. Μετά και την επίδειξη της πολυπλοκότητας του προβλήματος, δικαιολογείται η απόφαση να μελετηθεί περίπτωση της ταχύτητας ανέμου που είναι κάθετη στο δρόμο. Στο Κεφάλαιο 3, περιγράφονται οι λεπτομέρειες και τα χαρακτηριστικά των αριθμητικών μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν. Σε αυτά περιλαμβάνονται η θεωρία της Προσομοίωσης Μεγάλων Δινών, τα χαρακτηριστικά του μοντέλου CFD στο OpenFOAM και η θεωρία της ομαδοποίησης k-means. Στο Κεφάλαιο 4, περιγράφεται η διαδικασία της επαλήθευσης και επικύρωσης του μοντέλου. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με πειραματικά δεδομένα από τη βιβλιογραφία και αποτελέσματα CFD άλλων ερευνητών. Οι συγκρίσεις δείχνουν ότι το μοντέλο CFD είναι επιτυχημένο. Στο Κεφάλαιο 5, μελετώνται τα αποτελέσματα της ταχύτητας του ανέμου και της συγκέντρωσης των ρύπων και αναλύονται με τις τεχνικές που περιεγράφηκαν στο Κεφάλαιο 3. Μελετώνται οι διαφορές στα μοτίβα της ροής για τις μελετημένες αναλογίες ύψους κτιρίου προς πλάτος δρόμου και αναδεικνύεται η σημασία της γνώσης της θέσης της πηγής του ρύπου για τους πλατείς δρόμους. Μελετώνται τα αποτελέσματα της ομαδοποίησης k-means, για να προκύψουν τέσσερεις εξισώσεις που περιγράφουν τέσσερεις περιοχές με κοινά χαρακτηριστικά ροής μέσα στη χαράδρα. Αυτές εξαρτώνται από τις διαστάσεις της αστικής χαράδρας, ενώ είναι ανεξάρτητες της ταχύτητας του ανέμου. Αυτό συνιστά έναν έμμεσο ορισμό της ζώνης ανακύκλωσης, μέσω της περιγραφής του πεδίου της ταχύτητας. Ο ορισμός μπορεί να επεκταθεί για να καλύψει επιπλέον παραμέτρους, όπως η λοξή ταχύτητα ανέμου και οι θερμαινόμενες επιφάνειες. Στο Κεφάλαιο 6, συζητούνται τα συμπεράσματα που προέκυψαν και ερμηνεύεται η φυσική σημασία των τεσσάρων περιοχών που εντοπίστηκαν. Επίσης, συζητούνται οι περιορισμοί της παρούσας εργασίας και κάποιες προτάσεις για μελλοντική διερεύνηση. Τέλος, στα Παραρτήματα υπάρχει η παρουσίαση των μετατροπών στο αλγόριθμο επίλυσης του OpenFOAM και ο κώδικας που αναπτύχθηκε στην Python για την εφαρμογή της ομαδοποίησης k-means στα αποτελέσματα της Προσομοίωσης Μεγάλων Δινών.
scite is a Brooklyn-based organization that helps researchers better discover and understand research articles through Smart Citations–citations that display the context of the citation and describe whether the article provides supporting or contrasting evidence. scite is used by students and researchers from around the world and is funded in part by the National Science Foundation and the National Institute on Drug Abuse of the National Institutes of Health.
hi@scite.ai
10624 S. Eastern Ave., Ste. A-614
Henderson, NV 89052, USA
Copyright © 2024 scite LLC. All rights reserved.
Made with 💙 for researchers
Part of the Research Solutions Family.