Τυρβώδης ροή και διασπορά ρύπων στο αστικό περιβάλλον

Abstract

Η ατμοσφαιρική ρύπανση έχει ολέθριες επιπτώσεις στην υγεία και ευθύνεται για το θάνατο εκατομμυρίων ανθρώπων κάθε χρόνο. Ένα περιστατικό αέριας ρύπανσης μπορεί να έχει ως απολογισμό χιλιάδες άμεσους θανάτους (π.χ. Λονδίνο, 1952), ενώ η διασπορά βλαβερών ουσιών από ατύχημα ακόμη περισσότερους (π.χ. Μποπάλ Ινδίας, 1984). Το ενδιαφέρον είναι μεγαλύτερο για τα αστικά κέντρα, που ήδη συγκεντρώνουν περισσότερο από το μισό πληθυσμό της γης. Η μελέτη των μηχανισμών διασποράς ρύπων αναδεικνύεται θεμελιώδης για την βελτίωση των συνθηκών διαβίωσης και την αειφόρο ανάπτυξη στις αστικές περιοχές. Η διασπορά ρύπων εξαρτάται κυρίως από την τυρβώδη ροή και καθώς αυτή περιγράφεται από τις άλυτες μαθηματικά εξισώσεις Navier-Stokes, είναι απαραίτητη η χρήση αριθμητικών μεθοδολογιών για την επίλυση του προβλήματος. Η υπολογιστική ρευστομηχανική (CFD – Computational Fluid Dynamics) έχει αποδειχθεί το πολυτιμότερο εργαλείο για το σκοπό αυτό. Στο αστικό περιβάλλον χρησιμοποιούνται κυρίως οι CFD μεθοδολογίες RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) και LES (Large Eddy Simulation). Στη RANS έχουμε αγνώστους τις μέσες τιμές των ταχυτήτων και των άλλων μεταβλητών, ενώ στην LES επιλύουμε τις στιγμιαίες τιμές, υπολογίζοντας εν μέρει και τις α- σταθείς τυρβώδεις δομές της ροής. Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσεται μεθοδολογία μοντελοποίησης μεγάλων δινών (LES) κατάλληλη για επίλυση προβλημάτων ατμοσφαιρικής ροής και διασποράς ρύπων σε εφαρμογές που αφορούν το αστικό περιβάλλον. Γίνεται ενσωμάτωση της μεθοδολογίας σε υπάρχοντα κώδικα, δοκιμή και πιστοποίηση του κώδικα, χρήση του σε διάφορες περιπτώσεις πρακτικού ενδιαφέροντος και συναγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων από αυτές τις εφαρμογές. Το θέμα εξετάζεται σε δύο επίπεδα όσον αφορά τη γεωμετρία. Το πρώτο είναι το τοπικό επίπεδο και κυρίως η οδική χαράδρα. Το δεύτερο είναι η πόλη ή, γενικότερα, τα σύνολα κτιρίων. Επίσης εξετάζεται και διασπορά υδρογόνου, καθώς η επικείμενη διακίνησή του στις πόλεις απαιτεί ευρείες μελέτες επικινδυνότητας πρόκλησης ατυχήματος...