Προσομοίωση της άμεσης εναπόθεσης αερίων ρύπων στον απόρρου των πλοίων με τη χρήση υπολογιστικής ρευστοδυναμικής: επαλήθευση και αξιολόγηση

Abstract

The present doctoral dissertation focuses on the impact of shipping on water and air pollution, with an emphasis on the direct deposition of gaseous pollutants onto water. The research was conducted using computational fluid dynamics (CFD) and experiments, with the aim of developing a simplified model for predicting the quantification of direct pollutant deposition in waters. In the first stage, experiments were conducted on an actual exhaust system and CFD simulations using ANSYS FLUENT to study the mass transfer of CO2. The method of validating the CFD results was carried out by evaluating the signal distortion at the exhaust outlet. The results validated the reliability of CFD and demonstrated that the input velocity and temperature are the characteristics that have a direct impact on signal distortion. Next, OpenFOAM was used to simulate the dispersion and reproduction of the time series of gaseous pollutants from five ships, considering measurements of gaseous pollutants, meteorological conditions and automatic identification system data from the monitoring station located near the port of Hamburg. The results showed good correlation with the measurement data and confirmed the ability of CFD to predict pollutant dispersion, especially at lower atmospheric levels. Finally, CFD was applied to investigate the factors affecting direct deposition and the development of a simplified model for calculating the quantity of pollutants directly deposited into water in the downstream area of ships is the key part of the doctoral dissertation. The work concerns subcategories of ships that are included in the broader category of containers, while the methodology is applicable to all ship types. The methodology, also, considered the effect of scrubbers operation on direct deposition. For the development of the model, the CFD approach was used, and specifically the use of OpenFOAM. The basic parameters that affect deposition are the relative speed and angle of ship-wind, the exhaust gas exit velocity from the ship's funnel and the power of the main engine which also characterizes the size of the ship. However, the effect of the mass transfer coefficient of the pollutant from the atmosphere to the aquatic environment is also important, which depends on its solubility characteristics in water, wind speed and the state of the water surface. The data from the analyses of the above factors affecting deposition, were combined and used to create a single autonomous equation model that can be used to determine the deposition of gaseous pollutants from ships in waters. In the application of the autonomous equation model, it was found that the direct deposition of SO2 in the area downwind of the ship can reach up to 16.9 % compared to the total emitted quantity. The direct deposition of pollutants is missing from dispersion models which estimate the deposition of gaseous pollutants only at the level of regions and not around ships. The integration of the proposed autonomous model into dispersion models for estimating deposition from fleets of ships, will lead to the uncertainties reduction and will allow a broader understanding of the impacts on a global scale.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην επίδραση της ναυσιπλοΐας στην υδάτινη και ατμοσφαιρική ρύπανση, με έμφαση στην άμεση εναπόθεση αέριων ρύπων στο νερό. Η έρευνα διεξήχθη με τη χρήση υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (ΥΡ) και πειραμάτων, με στόχο την ανάπτυξη απλοποιημένου μοντέλου για την πρόβλεψη της ποσοτικοποίησης της άμεσης εναπόθεσης ρύπων στο υδάτινο περιβάλλον. Σε πρώτο στάδιο πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε πραγματικό σύστημα εξάτμισης και προσομοιώσεις ΥΡ με λογισμικό ANSYS FLUENT, για να μελετηθεί η μεταφορά μάζας του CO2. Ο τρόπος της επαλήθευσης των αποτελεσμάτων ΥΡ διενεργήθηκε με την αξιολόγηση παραμόρφωσης του σήματος στην έξοδο της εξάτμισης. Τα αποτελέσματα επικύρωσαν την αξιοπιστία της ΥΡ και απέδειξαν την επίδραση της ταχύτητας και θερμοκρασίας εισόδου στην παραμόρφωση του σήματος είναι τα χαρακτηριστικά που έχουν άμεση επίδραση. Σε επόμενο στάδιο χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό OpenFOAM για την προσομοίωση της διασποράς και αναπαραγωγής των χρονοσειρών των αέριων ρύπων πέντε πλοίων, λαμβάνοντας υπόψη μετρήσεις αέριων ρύπων, μετεωρολογικές συνθήκες και δεδομένα συστήματος αυτόματης αναγνώρισης από το σταθμό παρακολούθησης που βρίσκεται κοντά στο λιμάνι του Αμβούργου. Τα αποτελέσματα έδειξαν καλή συσχέτιση με τα δεδομένα μετρήσεων και επιβεβαίωσαν την ικανότητα της ΥΡ να προβλέψει τη διασπορά ρύπων, ιδιαίτερα στα χαμηλότερα ατμοσφαιρικά επίπεδα. Τέλος, η ΥΡ εφαρμόστηκε για τη διερεύνηση των παραγόντων που επηρεάζουν την άμεση εναπόθεση και την ανάπτυξη ενός νέου απλοποιημένου μοντέλου για τον υπολογισμό της ποσότητας των ρύπων που εναποτίθεται άμεσα στη θάλασσα στη περιοχή κατάντη των πλοίων, αποτελεί το τελευταίο κομμάτι της διδακτορικής διατριβής. Η εργασία αφορά υποκατηγορίες πλοίων που περιλαμβάνονται στην ευρύτερη κατηγορία των φορτηγών πλοίων, ενώ η μεθοδολογία είναι εφαρμόσιμη σε όλους τους τύπους πλοίων. Στη μεθοδολογία λήφθηκε υπόψη η επίδραση της λειτουργίας των πλυντρίδων στην άμεση εναπόθεση, εφόσον είναι εγκατεστημένες στο σύστημα μετεπεξεργασίας καυσαερίων του πλοίου. Για την ανάπτυξη του μοντέλου χρησιμοποιήθηκε η προσέγγιση της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής και συγκεκριμένα έγινε η χρήση του λογισμικού ανοικτού κώδικα OpenFOAM. Στις βασικές παραμέτρους που επηρεάζουν την εναπόθεση, συμπεριλαμβάνεται η σχετική ταχύτητα και γωνία πλοίου-ανέμου, η ταχύτητα εξόδου του καυσαερίου από το φουγάρο του πλοίου και η ισχύς του κύριου κινητήρα η οποία χαρακτηρίζει και το μέγεθος του πλοίου. Ωστόσο, σημαντική είναι και η επίδραση του συντελεστή μεταφοράς μάζας του εκάστοτε ρύπου από την ατμόσφαιρα στο υδάτινο περιβάλλον που εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά διαλυτότητας του στο νερό, από την ταχύτητα του ανέμου και τη κατάσταση της επιφάνειας του νερού. Τα δεδομένα από τις αναλύσεις των παραπάνω παραγόντων που επηρεάζουν την εναπόθεση, συνδυάστηκαν και αξιοποιήθηκαν για τη μια δημιουργία μίας αυτόνομης εξίσωσης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της εναπόθεσης αέριων ρύπων από τα πλοία σε θαλάσσιες περιοχές. Σε εφαρμογή του νέου μοντέλου της αυτόνομης εξίσωσης, βρέθηκε ότι η άμεση εναπόθεση του διοξειδίου του θείου στη περιοχή κοντά στο πλοίο μπορεί να αγγίξει το 16.9 % σε σχέση με τη συνολική εκπεμπόμενη ποσότητα. Η άμεση εναπόθεση ρύπων εκλείπει από τα μοντέλα διασποράς τα οποία εκτιμούν την εναπόθεση αέριων ρύπων μόνο σε επίπεδο περιοχών. Η ενσωμάτωση του προτεινόμενου αυτόνομου μοντέλου στα μοντέλα διασποράς για την εκτίμηση της εναπόθεσης από στόλους πλοίων, θα επιτρέψει την ευρύτερη κατανόηση των επιπτώσεων σε παγκόσμιο επίπεδο.