Study and modelling of flow phenomena in urban street canyons

Abstract

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.