Μελέτη των φυσικών μηχανισμών και παραμέτρων στο μικροχώρο αστικού δρόμου με έμφαση την εναλλαγή αερομεταφερόμενων ρυπαντών με το εξωτερικό αστικό ατμοσφαιρικό πεδίο
Authors: Καρκούλιας Βασίλειος 
Published: November 2021

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.