Ανάπτυξη βελτιωμένης μεθοδολογίας υπολογισμού διασποράς ατμοσφαιρικών ρύπων σε σύνθετες αστικές γεωμετρίες
Authors: Ακύλας Βασίλειος-Ιωάννης 
Published: September 2021

Η παρούσα εργασία έχει ως στόχο την ανάπτυξη μιας βελτιωμένης μεθοδολογίας υπολογισμού διασποράς ατμοσφαιρικών ρύπων σε σύνθετες αστικές γεωμετρίες. Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε η μελέτη της μεταβολής των αριθμητικών αποτελεσμάτων στη διασπορά αέριων ρύπων σε αστικές περιοχές υπό οριακές συνθήκες που περιγράφουν το Οριακό Ατμοσφαιρικό Στρώμα (ΑΟΣ), που αποτελεί το κατώτερο στρώμα της Ατμόσφαιρας. Βασική γνώση για την ανάπτυξη μεθοδολογίας αποτελούν η κατακόρυφη κατανομή του ΑΟΣ, ο ορισμός του υπολογιστικού πεδίου ενός μοντέλου μικροκλίμακας καθώς και η αριθμητική προσέγγιση λαμβάνοντας υπόψη την ανάγκη για υψηλή διακριτοποίηση των αστικών δομών. Η προτεινόμενη μεθοδολογία, που βασίζεται σε αυτή την προσέγγιση προϋποθέτει ότι η κατακόρυφη κατανομή της μέσης ταχύτητας και των παραμέτρων τύρβης εντός του ΑΟΣ διατηρούν την οριζόντια ομοιογένεια στην περιοχή ανάντη και κατάντη των εμποδίων που επιλύονται ρητά. Οι καθιερωμένες και ευρέως διαδεδομένες οριακές συνθήκες για την περιγραφή του ΑΟΣ που το επιτυγχάνουν αποκλίνουν αισθητά από επιτόπιες μετρήσεις ενώ αντίστοιχα η χρήση μετρήσεων πεδίου στο μοντέλο μπορεί να είναι προβληματική καθώς δεν διατηρείται η ζητούμενη ομοιογένεια. Πάνω σε αυτή την ιδιότητα, στην παρούσα εργασία εξετάζεται η μεταβολή των αποτελεσμάτων του μοντέλου ανάλογα με τη χρησιμοποιούμενη οριακή συνθήκη και επιπλέον αναπτύσσεται, πιστοποιείται και εφαρμόζεται μια καινοτόμα προσέγγιση που βασίζεται στην εκθετική περιγραφή της μέσης ταχύτητας. Ο σκοπός είναι η δημιουργία της κατάλληλη κατακόρυφης κατανομής για την περιγραφή των τυρβωδών ιδιοτήτων του ΑΟΣ, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συνθήκες όπου ο εκθετικός νόμος για τη μέση ταχύτητα έχει πιο ισχυρή θεώρηση. Για τη συγκριτική θεώρηση των οριακών συνθηκών συγκροτήθηκε ένα πλήρες και διεξοδικό υπολογιστικό πλαίσιο. Αρχικά μελετήθηκε η περίπτωση της δισδιάστατης προσομοίωσης της ατμοσφαιρικής ροής πάνω από τραχύ έδαφος και έπειτα η τρισδιάστατη επίλυση του ίδιου πεδίου με την παρουσία ενός μοναδικού εμποδίου που εδράζεται στο έδαφος. Εν συνεχεία εξετάστηκε η περίπτωση πολλαπλών εμποδίων και το συγκριτικό πλαίσιο ολοκληρώθηκε με μελέτη διασποράς ρύπου για την περίπτωση πολλών κτηρίων. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις παραπάνω αριθμητικές προσομοιώσεις αξιολογήθηκαν βάσει συγκρίσεων με μετρήσεις σε αεροσήραγγα και με δημοσιευμένα αποτελέσματα άλλων ερευνητών. Σε γενικές γραμμές, οι οριακές συνθήκες που προτάθηκαν παρήγαγαν καλύτερα αποτελέσματα, ιδίως στα αποτελέσματα της τυρβώδους κινητικής ενέργειας και της συγκέντρωσης του αδρανούς ρύπου. Η πρακτική σημασία της προτεινόμενης οριακής συνθήκης εξετάζεται σε δύο περιπτώσεις όπου μελετάται η μεταβολή των αποτελεσμάτων μεταξύ της αρχικής και της νέας επίλυσης. Η πρώτη περίπτωση αφορά αποτελέσματα που προκύπτουν από τη σύζευξη μοντέλου μεσοκλίμακας-μικροκλίμακας Η δεύτερη περίπτωση αφορά μελέτη διασποράς αδρανούς ρύπου εντός αστικής χαράδρας. Και στις δύο περιπτώσεις υπήρξε μεταβολή στα παραγόμενα αποτελέσματα που καταδεικνύει τη σημασία της επιλογής των κατάλληλων οριακών συνθηκών κατά περίπτωση.