Μελέτη των φυσικών μηχανισμών και παραμέτρων στο μικροχώρο αστικού δρόμου με έμφαση την εναλλαγή αερομεταφερόμενων ρυπαντών με το εξωτερικό αστικό ατμοσφαιρικό πεδίο

Abstract

Air pollution in the urban canopy represents a major environmental problem and studying the dispersion of pollutants in cities is not easy. The interaction between air flow and urban obstacles such as buildings creates a complex flow in the road that affects the pollutant dispersion. In highly traffic road cavities a lot of pollutants are concentrated, which due to the low ventilation are trapped between the buildings and is directly dangerous to the health of people who live, walk, work or drive on them, but also indirectly dangerous to the whole city since it consists of a sequence of road cavities. Several parameters affect the dispersion of pollutants in the street canyons, such as the direction and velocity of the ambient wind, the geometry of the building, the aspect ratio of the street canyon, the difference in air temperature of the building and others. Subject of this thesis is the computational investigation and analysis of the flow and dispersion of airborne pollutants and the comparison with field measurements in an urban street canyon. Also, the air flow and the pollutants in the urban street canyon was studied for different geometry scenarios with different aspect ratios and roughness elements on the building surfaces. Τhe results of a sampling campaign carried out in the center of the city of Patras, in the section of Maizonos Street, in a relatively deep street canyon of the city (with an aspect ratio equal to h / w = 2.33 ) during the period between 15 November 2004 and 28 February 2005 were studied and evaluated numericaly. Samples of aerosol particles were collected at various heights (z / h = 0,10, 0,57, 0,75 and 1,00) on the windward side of a multi-storey building, followed by an overall analysis of the mass and composition of the particles. The results explicitly showed that the mass concentration of aerosol particles and most trace elements was higher at street and roof level compared to the intermediate levels of the street canyon (16 and 21 meter level data). Thus, it was concluded that the vertical profiles of the concentrations of traffic-related pollutants do not follow the function of the expected exponential reduction. After evaluating Fluent based on the extensive experimental database created by the wind tunnel study by R.N. Meroney et al., (1995), it was studied both the real geometry (i.e. geometry in which measurements were made) and other geometries with aspect ratios of 1, 2 and 2.33 and with different number and position of balconies as roughness elements on the building facades. The aim was to investigate the effect of the balconies in the flow field, the flow parameters and the dispersion of pollutants into the street canyon. Then the effect of other elements of the cavity such as the galleries and penthouses that are characteristic of the centers of Greek cities was investigated. The numerical results showed that the local air flow and the transport of pollutants were strongly influenced by the vortices created by the roughness elements of the facade (balconies). The emphasis was on the formation (number, power and size) of the vortices in the cavity. It was concluded that the vertical gradient of the aerosol particle and trace element concentrations can be attributed to this complex flow field. In conclusion, the analysis demonstrated the need for high-resolution grids near the source of primary pollutants in urban areas. It was then investigated how the presence of other elements of the cavity (i.e. beyond the balconies), such as galleries and penthouses, affect the structure of the flow field and the vertical distribution of concentration near the building facades. For an aspect ratio of h / w =1, 2 and 2.33), in addition to the balconies, galleries and penthouses were added sequentially and their effect on the structure of the flow field and the concentration field both near the building facades and in the center line of the cavity was investigated. The numerical results clearly indicated that both the flow field and the particle mass concentration affected by the presence of the galleries and the penthouses to the first to hinder the escape of pollutants from the cavity. Finally, the results of the field measurements were confirmed by the simulation carried out for the same street canyon geometry using the commercial computer package ANSYS-FLUENT.

Η ατμοσφαιρική ρύπανση στον αστικό θόλο αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό περιβαλλοντικό πρόβλημα και η μελέτη της διασποράς των ρύπων στις πόλεις δεν είναι εύκολη. Η αλληλεπίδραση μεταξύ της ατμοσφαιρικής ροής και των αστικών εμποδίων όπως τα κτίρια δημιουργεί μια πολύπλοκη ροή στο δρόμο που επηρεάζει τη διασπορά των ρύπων.Στις οδικές χαράδρες με υψηλή κυκλοφορία αυτοκινήτων συγκεντρώνονται πολλοί ρύποι, οι οποίοι λόγω του χαμηλού αερισμού παγιδεύονται μεταξύ των κτιρίων και είναι άμεσα επικίνδυνοι για την υγεία των ανθρώπων που ζουν, περπατούν, εργάζονται ή οδηγούν σε αυτές, αλλά και έμμεσα επικίνδυνοι για ολόκληρη την πόλη, αφού αυτή αποτελείται από αλληλουχία οδικών χαραδρών. Αρκετές παράμετροι επηρεάζουν τη διασπορά των ρύπων στις οδικές χαράδρες, όπως η κατεύθυνση και η ταχύτητα του περιβάλλοντος ανέμου, η γεωμετρία του κτιρίου, ο λόγος επιμήκους της οδικής χαράδρας, η διαφορά θερμοκρασίας του αέρα του κτιρίου και άλλοι. Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η υπολογιστική διερεύνηση και ανάλυση της ροής και της διασποράς των αερομεταφερόμενων ρυπαντών και η σύγκριση με πεδιακές μετρήσεις μέσα σε μια αστική οδική χαράδρα (street canyon). Επιπλέον, μελετήθηκε η ροή του αέρα και των ρύπων σε αστικές οδικές χαράδρες για διάφορα σενάρια γεωμετρίας με διαφορετικούς λόγους επιμήκους και στοιχεία τραχύτητας στις επιφάνειες των κτιρίων. Μελετήθηκαν και αξιολογήθηκαν υπολογιστικά τα αποτελέσματα μίας σειράς δειγματοληψιών που έγιναν στο κέντρο της πόλης της Πάτρας, στο τμήμα της οδού Μαιζώνος, σε μία σχετικά βαθιά οδική χαράδρα (με λόγο επιμήκους h / w = 2,33) κατά την περίοδο μεταξύ 15 Νοεμβρίου 2004 και 28 Φεβρουαρίου 2005. Τα δείγματα των σωματιδίων αερολύματος συλλέχθηκαν σε διάφορα ύψη (z / h = 0,10, 0,57, 0,75 και 1,00) στην προσήνεμη πλευρά μιας πολυώροφης πολυκατοικίας και έγινε μια συνολική ανάλυση της μάζας και της σύνθεσής τους. Τα αποτελέσματα έδειξαν ρητά ότι η συγκέντρωση μάζας των σωματιδίων αερολύματος και των περισσότερων ιχνοστοιχείων ήταν μεγαλύτερη στο επίπεδο του δρόμου και της οροφής σε σύγκριση με τα ενδιάμεσα επίπεδα της οδικής χαράδρας (δεδομένα του επιπέδου των 16 και 21 μέτρων). Έτσι, προέκυψε το συμπέρασμα ότι τα κατακόρυφα προφίλ των συγκεντρώσεων των ρυπαντών που σχετίζονται με την κυκλοφορία δεν ακολουθούν τη συνάρτηση της αναμενόμενης εκθετικής μείωσης. Μετά την αξιολόγηση του Fluent που έγινε με βάση τα δεδομένα της μελέτης σε αεροσήραγγα από τον R.N. Meroney et al., (1995), μελετήθηκε τόσο η αναφερόμενη ως πραγματική γεωμετρία (γεωμετρία στην οποία έγιναν οι μετρήσεις) όσο και άλλες γεωμετρίες με λόγο επιμήκους 1, 2 και 2,33 και με διαφορετικό αριθμό και θέση μπαλκονιών ως στοιχείων τραχύτητας στις προσόψεις των κτιρίων. Σκοπός ήταν η διερεύνηση της επίδρασης των μπαλκονιών στο ροϊκό πεδίο, στις παραμέτρους της ροής και στην διασπορά των ρυπαντών μέσα στην οδική χαράδρα. Τα αριθμητικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η τοπική ροή αέρα και η μεταφορά των ρύπων επηρεάστηκαν έντονα από τις δίνες που δημιουργήθηκαν από τα στοιχεία τραχύτητας της πρόσοψης (μπαλκόνια). Η έμφαση δόθηκε στον σχηματισμό (αριθμός, ισχύς και μέγεθος) των δινών στην κοιλότητα. Συμπεραίνεται ότι η κατακόρυφη κλίση των συγκεντρώσεων των σωματιδίων και ιχνοστοιχείων αερολύματος μπορεί να αποδοθεί σε αυτό το σύνθετο πεδίο ροής. Συμπερασματικά, η ανάλυση έδειξε την ανάγκη για πλέγματα υψηλής ανάλυσης κοντά στην πηγή πρωτογενών ρύπων στις αστικές περιοχές. Στην συνέχεια διερευνήθηκε η επίδραση και άλλων στοιχείων της χαράδρας όπως τα υπόστεγα και τα ρετιρέ που είναι χαρακτηριστικά των κέντρων των Ελληνικών πόλεων. Στις γεωμετρίες με λόγους επιμήκους h / w =1, 2 και 2,33 εκτός από τα μπαλκόνια, προστέθηκαν διαδοχικά υπόστεγα και ρετιρέ και μελετήθηκε η επίδρασή τους στη δομή του πεδίου ροής και του πεδίου συγκέντρωσης τόσο κοντά στις προσόψεις των κτιρίων όσο και στη κεντρική γραμμή της χαράδρας. Τα αριθμητικά αποτελέσματα κατέδειξαν σαφώς ότι τόσο το πεδίο ροής όσο και η κατανομή της συγκέντρωσης μάζας των σωματιδίων επηρεάζονται από την παρουσία των υπόστεγων και των ρετιρέ με τα πρώτα να δυσκολεύουν την διαφυγή του ρυπαντή από την χαράδρα. Τα αποτελέσματα των πεδιακών μετρήσεων επιβεβαιώθηκαν από την προσομοίωση που πραγματοποιήθηκε για την ίδια γεωμετρία της οδικής χαράδρας χρησιμοποιώντας το εμπορικό υπολογιστικό πακέτο ANSYS-FLUENT.