Προσομοίωση της άμεσης εναπόθεσης αερίων ρύπων στον απόρρου των πλοίων με τη χρήση υπολογιστικής ρευστοδυναμικής
Authors: Ράπκος Νικόλαος 
Published: June 2024

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.