Τυρβώδης Ροή Και Διασπορά Ρύπων Στο Αστικό Περιβάλλον

Abstract

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.