Πρόγνωση ατομικής έκθεσης με μοντέλα υπολογιστικής ρευστομηχανικής
Authors: Ευθυμίου Γεώργιος 
Published: August 2021

Ένα από τα προβλήματα που έχει άμεση σχέση με την ασφάλεια της ζωής του σύγχρονου ανθρώπου είναι οι εκπομπές επικίνδυνων ουσιών στην ατμόσφαιρα από σημειακές πηγές που προέρχονται κυρίως από ατυχήματα ή εσκεμμένες ενέργειες. Σε πολλές περιπτώσεις οι εκπομπές είναι σύντομες και οι συγκεντρώσεις υψηλές και υπάρχει η ανάγκη εκτίμησης της μέγιστης αναμενόμενης ατομικής έκθεσης σε μικρά χρονικά διαστήματα. Η κλασική μέθοδος που εμφανίζεται στη βιβλιογραφία για την πρόβλεψη της μέγιστης συγκέντρωσης και κατ’ επέκταση της έκθεσης βασίζεται στη χρήση στατιστικών κατανομών. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή χρησιμοποιείται μία γνωστή κατανομή πυκνότητας πιθανότητας για τη μοντελοποίηση της συγκέντρωσης και εκτιμάται η μέγιστη αναμενόμενη συγκέντρωση/έκθεση χρησιμοποιώντας ένα διάστημα εμπιστοσύνης. Η μέθοδος αυτή εμφανίζει συγκεκριμένες αδυναμίες οι οποίες αναλύονται στην παρούσα διατριβή. Μία εναλλακτική μέθοδος για την πρόβλεψη της μέγιστης ατομικής έκθεσης είναι η χρήση εμπειρικών μοντέλων. Ένα εξελιγμένο εμπειρικό μοντέλο που εμφανίζεται στη βιβλιογραφία συσχετίζει τη μέγιστη αναμενόμενη έκθεση με παραμέτρους όπως το χρονικό διάστημα έκθεσης, τη μέση συγκέντρωση, την ένταση των διακυμάνσεων και την τυρβώδη χρονική κλίμακα αυτοσυσχέτισης της συγκέντρωσης. Το συγκεκριμένο εμπειρικό μοντέλο είναι απλό και ξεπερνά τους περιορισμούς των πιθανολογικών μοντέλων. Ένα βασικό πλεονέκτημα του μοντέλου είναι ότι μπορεί να διευρύνει την ικανότητα των υπολογιστικών μοντέλων πρόβλεψης της ατμοσφαιρικής διασποράς για την εκτίμηση της μέγιστης αναμενόμενης έκθεσης για ένα μεγάλο εύρος χρονικών διαστημάτων. Μία ανασκόπηση των διαθέσιμων υπολογιστικών μοντέλων διασποράς από τη βιβλιογραφία αποδεικνύει ότι τα μοντέλα Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής (Computational Fluid Dynamics, CFD) που βασίζονται στη μεθοδολογία RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) είναι ιδανικά για την ενσωμάτωση του εμπειρικού μοντέλου, λόγω της ικανοποιητικής πρόβλεψης της ροής του ανέμου και διασποράς των ρύπων σε σύνθετες διαμορφώσεις όπως τα αστικά περιβάλλοντα. Η ανάγκη αξιόπιστης εκτίμησης των μεταβλητών διασποράς που εμφανίζονται στο εμπειρικό μοντέλο (μέση τιμή, διακύμανση, χρονική κλίμακα της συγκέντρωσης) θέτει νέες προκλήσεις στη μεθοδολογία RANS. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται μία νέα προσέγγιση CFD-RANS για τη μοντελοποίηση της διασποράς των αέριων εκπομπών από σημειακές πηγές. Το βασικό χαρακτηριστικό της προσέγγισης αυτής είναι η δυνατότητα πρόβλεψης των χρονικών κλιμάκων της συγκέντρωσης σαν συνάρτηση όχι μόνο της υδροδυναμικής χρονικής κλίμακας αλλά και του χρόνου μεταφοράς του ρύπου. Η προσέγγιση αυτή εφαρμόζεται για τον υπολογισμό της χρονικής κλίμακας σκέδασης της διακύμανσης της συγκέντρωσης και της μέγιστης ατομικής έκθεσης σε μικρά χρονικά διαστήματα. Για την εκτίμηση του χρόνου μεταφοράς στα μοντέλα CFD εισάγεται η νέα ‘μέθοδος ραδιενεργούς ανίχνευσης’. Η αξιολόγηση της νέας μεθοδολογίας για την πρόβλεψη της μέγιστης ατομικής έκθεσης αποτελείται από δύο στάδια. Αρχικά το εμπειρικό μοντέλο που επιλέχθηκε αξιολογείται με την εκτεταμένη βάση δεδομένων συγκέντρωσης του πειράματος πεδίου MUST (Mock Urban Setting Test, μέτρια αστική πολυπλοκότητα) που περιλαμβάνει δεδομένα που καλύπτουν όλες τις κλάσεις ατμοσφαιρικής ευστάθειας. Παράλληλα γίνεται εκτίμηση της αβεβαιότητας των παραμέτρων του μοντέλου. Τα αποτελέσματα αυτού του σταδίου ενισχύουν την αξιοπιστία του εμπειρικού μοντέλου. Στη συνέχεια η συνολική μεθοδολογία αξιολογείται πραγματοποιώντας υπολογιστικές προσομοιώσεις επιλεγμένων δοκιμών των πειραμάτων πεδίου MUST και FLADIS (Research on the dispersion of two-phase flashing releases) υπό ουδέτερες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Οι νέες προσεγγίσεις CFD-RANS και το εμπειρικό μοντέλο πρόβλεψης της μέγιστης ατομικής έκθεσης ενσωματώνονται στον υπολογιστικό κώδικα ADREA, έναν τρισδιάστατο κώδικα CFD που χρησιμοποιείται για προσομοιώσεις ατμοσφαιρικών ροών και διασποράς σε πολύπλοκες γεωμετρίες. Η επίλυση των εξισώσεων RANS βασίζεται στη μέθοδο πεπερασμένων όγκων. Στην παρούσα διατριβή το κλείσιμο των εξισώσεων επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός νέου μοντέλου τύρβης που εμφανίζεται στη βιβλιογραφία, το οποίο θεωρείται αξιόπιστο για προσομοιώσεις όπου απαιτείται η επέκταση του πλέγματος σε ύψη όπου η δύναμη Coriolis δεν είναι αμελητέα. Οι μεταβλητές που αξιολογούνται είναι η μέση τιμή, η τυπική απόκλιση της συγκέντρωσης και η μέγιστη ατομική έκθεση για διάφορα χρονικά διαστήματα. Η αξιολόγηση της νέας μεθοδολογίας πραγματοποιείται με τη χρήση δεικτών αξιολόγησης και διαγραμμάτων διασποράς. Τα αριθμητικά αποτελέσματα δείχνουν συνολικά καλή συμφωνία με τις πειραματικές μετρήσεις σύμφωνα με τα όρια που εμφανίζονται στη βιβλιογραφία για τους δείκτες αξιολόγησης. Επιπλέον τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι η παρούσα μεθοδολογία είναι σε θέση να αντιμετωπίσει σύνθετα φαινόμενα μεταβατικής διασποράς.