«ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΧΩΡΟΤΑΞΙΚΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΟΙΚΙΣΜΩΝ ΜΕ ΣΤΟΧΟ ΤΗ ΜΕΙΩΣΗ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗΣ ΡΥΠΩΝ ΕΠΙ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ» ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ & ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΑΥΤΗΣ «ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΧΩΡΟΤΑΞΙΚΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΟΙΚΙΣΜΩΝ ΜΕ ΣΤΟΧΟ ΤΗ ΜΕΙΩΣΗ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗΣ ΡΥΠΩΝ ΕΠΙ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ» ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΩΡΑΪΤΗ ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΜΑΡΓΑΡΗΣ ΔΙΟΝΥΣΙΟΣ-ΕΛΕΥΘΕΡΙΟΣ ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Μεταπτυχιακή Διπλωματική εργασία υποβληθείσα στο Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΤΡΑ, Φεβρουάριος 2017

2 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών 2017 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος [2]

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΑΥΤΗΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάστηκε από την Μεταπτυχιακή φοιτήτρια την Παρασκευή 17 Φεβρουαρίου 2017 [3]

4 Η έγκριση της διπλωματικής εργασίας δεν υποδηλοί την αποδοχή των γνωμών του συγγραφέα. Κατά τη συγγραφή τηρήθηκαν οι αρχές της ακαδημαϊκής δεοντολογίας. [4]

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών και πραγματεύεται τη μελέτη του πεδίου ροής αέρα και της διασποράς των ρύπων σε μια αστική οδική χαράδρα. Η ολοκλήρωση της εργασίας μου οφείλεται είτε άμεσα είτε έμμεσα σε σημαντικά άτομα για εμένα και ορισμένα από τα οποία θα ήθελα να ευχαριστήσω. Αρχικά, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Μάργαρη Διονύσιο για την άψογη και ουσιαστική συνεργασίας μας καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας μου. Οι επιστημονικές γνώσεις και συμβουλές που μου προσέφερε μαζί με την πνευματική στήριξη και καθοδήγηση αποτέλεσαν εφόδια για την υλοποίηση του στόχου μου. Θερμές ευχαριστίες θα ήθελα να δώσω στον υποψήφιο διδάκτορα Πανόπουλο Νικόλαο για τη στήριξη, την υπομονή και το χρόνο που διέθεσε σε όλη τη διάρκεια της εργασίας. Τον ευχαριστώ για την αμέριστη συμπαράσταση του. [5]

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... 5 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ... 9 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ABSTRACT ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΕΙΣΑΓΩΓΗ. ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΑΣΤΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΚΑΙ ΚΛΙΜΑ Αστικοποίηση Μικροκλίμα Κυκλοφορία αέρα στον αστικό χώρο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : ΠΟΛΥΦΑΣΙΚΕΣ ΡΟΕΣ ΔΙΦΑΣΙΚΗ ΡΟΗ Ομογενής ροή Χωριστή διφασική ροή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : ΡΟΗ ΚΑΙ ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΡΥΠΩΝ ΣΕ ΑΣΤΙΚΗ ΟΔΙΚΗ ΧΑΡΑΔΡΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΟΔΙΚΗΣ ΧΑΡΑΔΡΑΣ ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΡΟΗΣ ΜΙΑΣ ΑΣΤΙΚΗΣ ΟΔΙΚΗΣ ΧΑΡΑΔΡΑΣ Το Απομονωμένο Κτίριο ΤΟ ΟΡΙΑΚΟ ΣΤΡΩΜΑ Η έννοια του Οριακού Στρώματος Χαρακτηριστικά μεγέθη οριακού στρώματος Πάχος δ Οριακού Στρώματος- Boundary layer thickness Πάχος δ 1 μετατόπισης- Displacement thickness Πάχος δ 2 Ορμής- Momentum thickness Πάχος δ 3 Διάχυσης της Ενέργειας Τύποι Ροής στο Οριακό Στρώμα Ατμοσφαιρικό και Αστικό Οριακό Στρώμα [6]

7 Ατμοσφαιρικό Οριακό Στρώμα Αστικό Οριακό Στρώμα ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΡΟΗΣ ΣΕ ΚΑΝΟΝΙΚΗ ΟΔΙΚΗ ΧΑΡΑΔΡΑ Ροή με Συμμετρικές Οδικές Χαράδρες Ροή σε Ασύμμετρες Οδικές Χαράδρες Κατάταξη ροών βάση λόγου H/W ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΡΥΠΩΝ ΣΤΗΝ ΟΔΙΚΗ ΧΑΡΑΔΡΑ Κίνηση των Ρευστών Τρόποι που ρέουν τα Ρευστά Ιδιότητες των Ρευστών Εξισώσεις για την Περιγραφή της Κίνησης των Ρευστών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΚΙΝΗΣΗΣ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ- GOVERNING EQUATIONS ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ- ΠΩΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΙ ΑΡΧΕΣ ΤΥΡΒΩΔΩΝ ΡΟΩΝ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΥΡΒΗΣ Μοντελοποίηση των τάσεων Reynolds Μοντέλο Standard k-ε Υπολογισμός Τάσεων Reynolds ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΡΟΗΣ ΑΕΡΑ ΚΑΙ ΡΥΠΩΝ ΣΤΑ ΔΙΑΦΟΡΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ ΤΗΣ ΟΔΙΚΗΣ ΧΑΡΑΔΡΑΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟΥ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ (MESH) ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ : Αρχικό Μοντέλο Γεωμετρίας :Ρυπαντής CO Ταχύτητα αέρα U air = 1m/s Ταχύτητα αέρα U air = 3m/s Ταχύτητα αέρα U air = 5m/s Ταχύτητα αέρα U air = 10m/s :Ρυπαντής CH4 & NO Ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s : 2 ο Μοντέλο Γεωμετρίας- Κτίρια στραμμένα 45 ο μοίρες κατά τη διεύθυνση του αέρα [7]

8 :Ρυπαντής CO Ταχύτητα αέρα U air = 3m/s Ταχύτητα αέρα U air = 5m/s : Ρυπαντής CH4 & NO Ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s : 3 o Μοντέλο Γεωμετρίας :Ρυπαντής CO Ταχύτητα αέρα U air = 5m/s :Ρυπαντής NO Ταχύτητα αέρα U air = 5m/s : 4 ο Μοντέλο Γεωμετρίας :Ρυπαντής CO Ταχύτητα αέρα U air = 5m/s :Ρυπαντής NO Ταχύτητα αέρα U air = 5m/s : 5 o Μοντέλο Γεωμετρίας :Ρυπαντής CO Ταχύτητα αέρα U air = 3m/s Ταχύτητα αέρα U air = 5m/s :Ρυπαντής NO Ταχύτητα αέρα U air = 3m/s Ταχύτητα αέρα U air = 5m/s ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΩΝ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [8]

9 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1.1: Επίδραση διαφόρων παραγόντων στο μικροκλίμα Σχήμα 1.2: Κατακόρυφη κατανομή της ταχύτητας του αέρα. Η συνεχής καμπύλη εκφράζει το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα πάνω από τα κτίρια και η διακεκομμένη καμπύλη δείχνει το αέριο στρώμα ανάμεσα στο έδαφος και το ύψος των κτιρίων Σχήμα 3.1: Οδική χαράδρα- Street canyon Σχήμα 3.2: Γεωμετρικά χαρακτηριστικά οδικής χαράδρας Σχήμα 3.3: Ροή γύρω από κτίριο κυβικού σχήματος Σχήμα 3.4: Κάτοψη του πεδίου ροής και απεικόνιση των γραμμών ροής- πειραματική διερεύνηση Σχήμα 3.5α: Γραμμές ροής- Απεικόνιση σε κάτοψη σε περιοχή κοντά στο έδαφος Σχήμα 3.5β: Γραμμές ροής- Απεικόνιση στο μέσο κατακόρυφο επίπεδο Σχήμα 3.5γ: Προβολή γραμμών ροής σε επίπεδο κάθετο που απέχει 0.1 χαρακτηριστικά μήκη από την πίσω πλευρά του κύβου Σχήμα 3.5 (α, β & γ): Γραμμές ροής γύρω από εδρασμένο κύβο- πρόλεξη με LES Σχήμα 3.6: Γραμμές ροής σε χρονικά μέση τιμή πεδίου- πρόλεξη με DNS Re= Σχήμα 3.7: Απεικόνιση οριακού στρώματος από ρευματικές γραμμές με τη βοήθεια ρινισμάτων αλουμινίου Σχήμα 3.8: Ροή αέρα γύρω από επίπεδη πλάκα άπειρου μήκους Σχήμα 3.9: Πάχος δ Οριακού Στρώματος Σχήμα 3.10: Τύποι Ροής στο Οριακό Στρώμα Σχήμα 3.11: Σημείο Αποκόλλησης της ροής από το σώμα Σχήμα 3.12α: Το Οριακό Στρώμα αεροτομής του πτερυγίου του αεροπλάνου Σχήμα 3.12β: Το φαινόμενο της Αποκόλλησης σε αεροτομή πτερυγίου του αεροπλάνου Σχήμα 3.13: Ατμοσφαιρικό Οριακό Στρώμα Σχήμα 3.14: Το αστικό οριακό στρώμα και το υπόστρωμά του (The urban boundary layer structure) Σχήμα 3.15: Βρόχος ανακυκλοφορίας για H/W= Σχήμα 3.16: Γεωμετρικά Χαρακτηριστικά Δισδιάστατης Οδικής Χαράδρας Σχήμα 3.17: Ροή Μεμονωμένης Τραχύτητας (Isolated Roughness Flow) Σχήμα 3.18: Ροή Διαταραχής Ομόρρου (Wake Interface Flow) Σχήμα 3.19: Ροή Απόξεσης (Skimming Flow) Σχήμα 3.20:Διαχωρισμός του είδους του πεδίου ροής ανάλογα με τον λόγο επιμήκο 50 Σχήμα 3.21 (α, β & γ): Οπτικοποίηση του πεδίου ροής για τις διάφορες τιμές του λόγου επιμήκους r [9]

10 Σχήμα 3.22 (α, β & γ): Γραμμές Ροής του Ροϊκού Πεδίου για διάφορες τιμές του λόγου επιμήκους Σχήμα 3.23: Σύγκριση ροής συμμετρικών και ασύμμετρων οδικών χαραδρών Σχήμα 3.24: Γραμμές Ροής σε Χαράδρα Αυξανόμενης Βαθμίδας (Step-up) Σχήμα 3.25: Γραμμές Ροής σε Χαράδρα Μειούμενης Βαθμίδας (Step-down) Σχήμα 3.26: Γραμμές Ροής για διάφορες γεωμετρίες περιπτώσεις κτιρίων με κεκλιμένες οροφές Σχήμα 3.27: Είδη ροών ανάλογα με τον λόγο επιμήκους Σχήμα 3.28: Γραμμές ροής για διάφορους λόγους H/W Σχήμα 4.1α: Γεωμετρία και ταχύτητες Σχήμα 4.1β: Δυνάμεις κατά τη διεύθυνση x Σχήμα 5.1: Γεωμετρία του υπό μελέτη μοντέλου Σχήμα 5.2: Οι Οριακές Συνθήκες του υπό μελέτη μοντέλου Σχήμα 5.3: Υπολογιστικό Πλέγμα-Mesh Σχήμα 5.4: Κατανομή του CO 2 στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 1 m/s (Volume Fraction) Σχήμα 5.5: Κατανομή του CO 2 στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 3 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines Σχήμα 5.6: Τοποθέτηση γραμμών για την αριθμητική απεικόνιση της ταχύτητας του πεδίου ροής Σχήμα 5.7: Διάγραμμα της ταχύτητας της ροής σε συνάρτηση με το μήκος της οδικής χαράδρας Σχήμα 5.8: Η συμπεριφορά της ροής στις οροφές των κτιρίων Σχήμα 5.9: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα (vectors) Σχήμα 5.10: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα (contour) Σχήμα 5.11: Κατανομή της ταχύτητας της ροής από την έμπροσθεν πλευρά στην οδική χαράδρα (contour) Σχήμα 5.12: Ορατοποίηση του πεδίου ροής αέρα-co 2 στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας της οδικής χαράδρας Σχήμα 5.13: Κατανομή του CO 2 στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines Σχήμα 5.14: Κατανομή του CO 2 στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 10 m/s (Volume Fraction) Σχήμα 5.15: a) CH4 Volume Fraction στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s b) NO 2 Volume Fraction στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s Σχήμα 5.16: Κατανομή του CO 2 στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 3 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines [10]

11 Σχήμα 5.17: Τοποθέτηση γραμμών για την αριθμητική απεικόνιση της ταχύτητας του πεδίου ροής Σχήμα 5.18: Διάγραμμα της ταχύτητας της ροής σε συνάρτηση με το μήκος της οδικής χαράδρας Σχήμα 5.19: Η συμπεριφορά της ροής στις οροφές των κτιρίων Σχήμα 5.20: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα (vectors) Σχήμα 5.21: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα (contour) Σχήμα 5.22: Κατανομή της ταχύτητας της ροής από την έμπροσθεν πλευρά της οδικής χαράδρας (contour) Σχήμα 5.23: Ορατοποίηση του πεδίου ροής αέρα-co 2 στο 2 ο μοντέλο γεωμετρίας της οδικής χαράδρας Σχήμα 5.24: Κατανομή του CO 2 στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines Σχήμα 5.25: a) CH4 Volume Fraction στο δεύτερο μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s b) NO 2 Volume Fraction στο δεύτερο μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s Σχήμα 5.26: Κατανομή του CO 2 στο 3 o μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines Σχήμα 5.27: Τοποθέτηση γραμμών για την αριθμητική απεικόνιση της συμπεριφοράς του πεδίου ροής Σχήμα 5.28: Διάγραμμα της ταχύτητας της ροής σε συνάρτηση με το μήκος της οδικής χαράδρας Σχήμα 5.29: Η συμπεριφορά της ροής στις οροφές των κτιρίων Σχήμα 5.30: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα (vectors) Σχήμα 5.31: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα (contour) Σχήμα 5.32: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην έμπροσθεν πλευρά της οδικής χαράδρας (contour) Σχήμα 5.33: Ορατοποίηση του πεδίου ροής αέρα-co 2 στο 3 ο μοντέλο γεωμετρίας της οδικής χαράδρας Σχήμα 5.34: Κατανομή του NO 2 στο 3 o μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines Σχήμα 5.35: Κατανομή του CO 2 στο 4 o μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines Σχήμα 5.36: Ορατοποίηση του πεδίου ροής αέρα-co 2 στο 4 ο μοντέλο γεωμετρίας της οδικής χαράδρας Σχήμα 5.37: Κατανομή του NO 2 στο 4 o μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines Σχήμα 5.38:Κατανομή του CO 2 στο 5 o μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 3 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines [11]

12 Σχήμα 5.39: Τοποθέτηση γραμμών για την αριθμητική απεικόνιση της συμπεριφοράς του πεδίου ροής Σχήμα 5.40: Διάγραμμα της ταχύτητας της ροής σε συνάρτηση με το μήκος της οδικής χαράδρας Σχήμα 5.41: Η συμπεριφορά της ροής στις οροφές των κτιρίων Σχήμα 5.42: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα (vectors) Σχήμα 5.43: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα (contour) Σχήμα 5.44: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα από την έμπροσθεν πλευρά της οδικής χαράδρας (contour) Σχήμα 5.45: Ορατοποίηση του πεδίου ροής αέρα-co 2 στο 5 ο μοντέλο γεωμετρίας της οδικής χαράδρας Σχήμα 5.46: Κατανομή του CO 2 στο 5 o μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines Σχήμα 5.47: Κατανομή του NO 2 στο 5 o μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 3 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines Σχήμα 5.48: Κατανομή του NO 2 στο 5 o μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines Σχήμα Π.1: Διασπορά του CO 2 στην οδική χαράδρα με Η καμινάδας =1m για ταχύτητα αέρα U air = 3 m/s (Volume Fraction) Σχήμα Π.2: Διασπορά του CO 2 στην οδική χαράδρα με Η καμινάδας =1m για ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s (Volume Fraction) Σχήμα Π.3: Διασπορά του CO 2 στην οδική χαράδρα με Η κτιρίων =12m για ταχύτητα αέρα U air = 3 m/s (Volume Fraction) Σχήμα Π.4: Ορατοποίηση του πεδίου ροής αέρα-ρύπου CO 2 στην οδική χαράδρα με Η κτιρίων =12m για ταχύτητα αέρα U air = 3 m/s [12]

13 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 5.1: Πυκνότητες εξεταζόμενων ρυπαντών Πίνακας 5.2: Αριθμός Reynolds για τη ροή του αέρα Πίνακας 5.3: Αριθμός Reynolds για το Διοξείδιο του Άνθρακα (CO 2 ) Πίνακας 5.4: Αριθμός Reynolds για το Μεθάνιο (CH 4 ) Πίνακας 5.5: Αριθμός Reynolds για το Διοξείδιο του Αζώτου (NO 2 ) [13]

14 [14]

15 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η αστικοποίηση και η συνεχής αύξηση του πληθυσμού στα αστικά κέντρα δημιουργεί ποικίλα κοινωνικά, οικονομικά και περιβαλλοντικά προβλήματα. Η αύξηση του αριθμού των οχημάτων, οι εκπομπές ρύπων από εγκαταστάσεις κεντρικής θέρμανσης κτιρίων, η αύξηση της βιομηχανικής δραστηριότητας και άλλες ενέργειες εις βάρος του περιβάλλοντος είναι υπαίτιες για την υποβάθμιση της ποιότητας του περιβάλλοντος και της ποιότητας ζωής των κατοίκων. Η ατμοσφαιρική ρύπανση των πόλεων αναγνωρίζεται από την επιστημονική κοινότητα ως ένα σοβαρό περιβαλλοντικό πρόβλημα με παγκόσμιες διαστάσεις. Οι εκπομπές και η διασπορά των ρύπων λαμβάνουν χώρα στους αστικούς δρόμους ή αλλιώς στις αστικές χαράδρες. Η αστική οδική χαράδρα είναι κύριο γεωμετρικό χαρακτηριστικό σε μία πόλη και αποτελείται από ένα δρόμο εκατέρωθεν του οποίου υπάρχουν κτίρια. Οι οδικές χαράδρες αστικών περιοχών συγκεντρώνουν ορισμένα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που καθιστούν τη μελέτη του πεδίου ροής ανέμου και συγκέντρωσης ρύπων ιδιαίτερα πολύπλοκη. Το πεδίο ροής που αναπτύσσεται σε σύνθετη τοπογραφία πόλης χαρακτηρίζεται από έντονη ανομοιομορφία. Η γεωμετρία των αστικών οδικών χαραδρών έχει ως συνέπεια την ανάπτυξη πεδίων ροής με περιοχές έντονης ανακυκλοφορίας και περιοχές επιταχυνόμενης ροής. Ταυτόχρονα, ο κύριος όγκος των αέριων ρύπων εκλύεται κοντά στο έδαφος, με αποτέλεσμα ο τυρβώδης μηχανισμός διασποράς αλλά και τα υφιστάμενα επίπεδα θερμοκρασιακής ευστάθειας να αποτελούν ιδιαίτερα σημαντικούς παράγοντες. Στην Ελλάδα στις ακραία πυκνοδομημένες αστικές περιοχές μπορεί συχνά να θεωρηθεί, ότι η ελεύθερη επιφάνεια της πόλης έχει μεταφερθεί καθ ύψος και βρίσκεται στο επίπεδο των στεγών των πολυκατοικιών. Ο βασικός στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι η υπολογιστική διερεύνηση και ανάλυση της ροής και διασποράς αέριων ρύπων μέσα σε μια αστική οδική χαράδρα (street canyon). Μελετήθηκε η ροή αέρα και ρύπων σε αστικές οδικές χαράδρες για διάφορα σενάρια γεωμετρίας και διάφορες ταχύτητες πνέοντος ανέμου. Οι αέριοι ρύποι εκπέμπονται από μια καμινάδα, η οποία βρίσκεται μπροστά από το συγκρότημα των κτισμάτων της αστικής χαράδρας και διοχετεύονται με τη ροή του αέρα εντός του συγκροτήματος. Για την υλοποίηση των προσομοιώσεων και την απεικόνιση των αποτελεσμάτων έγινε χρήση του υπολογιστικού μοντέλου ANSYS 16.0 και του πακέτου Fluent. Μέσα στο Fluent, σχεδιάστηκε αρχικά η γεωμετρία της αστικής χαράδρας και έπειτα κατασκευάστηκε το πλέγμα (Mesh) και πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση της ροής των ρύπων και του αέρα. [15]

16 Λέξεις-κλειδιά: Οδική χαράδρα, Πολυφασικές ροές, Ρύποι, CFD-Υπολογιστική Ρευστοδυναµική [16]

17 ABSTRACT Urbanization and continuous growth of population in urban areas cause various social, economic and environmental problems. The increasing number of vehicles, the emissions from central heating of buildings, the increase of industrial activity and other activities against the environment are blamed for the degradation of its quality and the quality of life. Air pollution in cities is recognized by the scientific community as a serious environmental problem with global dimensions. Emissions and dispersion of pollutant occur in urban streets or otherwise in street canyons. Urban street canyon is a geometric feature in an urban area and consists of a street which has buildings on either side. Street canyons of urban areas gather specific characteristics which make the study of wind flow and pollutant concentration very complex. The flow field which developed in complex city geometry is characterized by nonuniformity. Geometry of urban street canyons leads to the development of flow fields with recirculation phenomena. Simultaneously, the bulk of gaseous pollutants emitted close to the ground, resulting in turbulent dispersion mechanism and existing level of temperature stability considered as significant factors. In Greece the geometry of densely built-up urban areas is such that often can be considered that the free surface of the city has moved in height and located at the level of buildings roofs. The main objective of this study is the computational investigation and analysis of gaseous pollutants flow and dispersion in urban street canyon. Investigated the flow of air and pollutant in urban street canyons for various scenarios of geometry and wind speed. The gaseous pollutants emitted from a chimney located in front of the building block and the pollutants injected into the street canyon by the air flow. To achieve the visualization of simulations was used the computational model ANSYS 16.0 and the package Fluent. Initially, was designed the geometry of urban canyon and then the Mesh in order to performed the simulation of flow of pollutant and air. Keywords: Street canyon, Multiphase flows, Pollutants, CFD-Computational Fluid Dynamics [17]

18 [18]

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΕΙΣΑΓΩΓΗ. ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ 1.1 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Την πεντηκονταετία , ενώ ο πληθυσμός της γης σχεδόν διπλασιάστηκε, για πρώτη φορά στην ανθρώπινη ιστορία όλο και περισσότεροι άνθρωποι ζουν σε πόλεις από ότι σε αγροτικές περιοχές και το ποσοστό των ανθρώπων αυτών αυξήθηκε, αποτελώντας τον μισό πληθυσμό της γης (Fenger, 1999). Η Ευρώπη αποτελεί μία από τις πιο πυκνοκατοικημένες ηπείρους. Περίπου το 75% του πληθυσμού της συγκεντρώνεται σε αστικές περιοχές, ενώ μέχρι το 2020 υπολογίζεται ότι το ποσοστό αυτό θα ανέλθει στο 80%. Η βιομηχανική έξαρση σε συνδυασμό με τον συγκεντρωτισμό στις πόλεις έχει ως αποτέλεσμα την επιβάρυνση της ποιότητας του αέρα κυρίως σε κατοικημένες περιοχές. Η ανάπτυξη της βιομηχανίας, η συνεχής αύξηση παραγωγής ενέργειας, η καύση ορυκτών καυσίμων αλλά και η δραματική αύξηση της κυκλοφορίας οχημάτων στους δρόμους συντελούν στη μόλυνση του αέρα στις πόλεις, προκαλώντας σοβαρά προβλήματα στην υγεία των κατοίκων. Ενδεικτικό της υφιστάμενης κατάστασης είναι τα αυξανόμενα κρούσματα αναπνευστικών προβλημάτων στους κατοίκους των πόλεων, καθώς τα τελευταία χρόνια παρατηρείται σχεδόν διπλασιασμός των ατόμων που υποφέρουν από άσθμα σε σχέση με 20 χρόνια πριν (Αγγελίδης, 2010). Τα τελευταία χρόνια το πρόβλημα της ποιότητας του αέρα αποτελεί ζήτημα μείζονος σημασίας για τους πολίτες της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Η συνεχιζόμενη συγκέντρωση των ανθρώπων στα αστικά κέντρα σε συνδυασμό με την αύξηση του αριθμού των αυτοκινήτων παγκοσμίως και συνεπώς τους αυξημένους εκπεμπόμενους ρύπους εγείρει εύλογες ανησυχίες για την υποβάθμιση του βιοτικού επιπέδου των πολιτών (R.E.Britter & S.R.Hanna, 2003). Παρόλη την εντυπωσιακή μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων ανά διανυόμενο χιλιόμετρο με τη χρήση της καταλυτικής τεχνολογίας στα καινούρια οχήματα, η συνεχόμενη αύξηση του αριθμού των αυτοκινήτων έχει ως αποτέλεσμα τα μέσα μεταφοράς να εξακολουθούν να είναι η κύρια πηγή ρύπων στις πόλεις σε μονοξείδιο του άνθρακα (CO), οξείδια το αζώτου (NOx) και άκαυστους υδρογονάνθρακες (HC) ( Huang et al., 2000). Ωστόσο, η δραστηριότητα της Ευρωπαϊκής Ένωσης είναι έντονη στον τομέα αυτόν. Ήδη από τις αρχές του 1970, η Ευρωπαϊκή Ένωση εργάζεται με σκοπό τη βελτίωση της ποιότητας του αέρα. Για τον λόγο αυτόν, διενεργεί μετρήσεις για τον έλεγχο έκλυσης επιβλαβών ουσιών στην ατμόσφαιρα, επιδοτεί έρευνες βελτιώνοντας την ποιότητα των καυσίμων, ενώ παρέχει συνολικό κανονισμό για την προστασία του περιβάλλοντος σε σχέση με τους τομείς των μεταφορών και της ενέργειας. [19]

20 1.2 ΑΣΤΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΚΑΙ ΚΛΙΜΑ Αστικοποίηση Οι πόλεις και γενικότερα το αστικό περιβάλλον ορίζεται ως το φυσικό περιβάλλον που αποτελείται από ένα σύνθετο συνδυασμό φυσικών στοιχείων όπως ο αέρας, το νερό, το έδαφος, το κλίμα, η χλωρίδα, η πανίδα και το δομημένο περιβάλλον που κατασκευάζεται ή μεταβάλλεται από τον άνθρωπο για να ικανοποιήσει τις δραστηριότητες του και περιλαμβάνει κτίρια, υποδομές και κοινόχρηστους ανοικτούς χώρους. Οι σύγχρονες πόλεις καλούνται να ικανοποιήσουν τις ανθρώπινες οικιστικές ανάγκες χωρίς να επιδρούν αρνητικά στο περιβάλλον. Η ραγδαία ανάπτυξη των πόλεων που αναφέρθηκε προηγουμένως δημιούργησε αρκετά περιβαλλοντικά προβλήματα στα ανεπτυγμένα κράτη όπως την υποβάθμιση της ποιότητας του αέρα, την αλλοίωση του μικροκλίματος, τη ρύπανση του νερού και του εδάφους και τη συσσώρευση αποβλήτων. Το έτος 2008 αποτελεί σταθμό για την αστικοποίηση, ή αλλιώς για την τάση συγκέντρωσης του πληθυσμού μιας χώρας στα αστικά κέντρα, η οποία βρίσκεται σε έξαρση. Λαμβάνοντας υπόψη τις εκτιμήσεις του Οργανισμού Ηνωμένων Εθνών, αν ο ρυθμός της αστικοποίησης παραμείνει σταθερός, μέχρι το 2030 το 60% του συνολικού πληθυσμού της γης θα κατοικεί σε αστικές περιοχές. Η αύξηση της αστικοποίησης στο 50% του παγκόσμιου πληθυσμού θεωρείται ως θετικό στοιχείο από πολλούς. Η αύξηση της βιομηχανικής παραγωγής και ο εκσυγχρονισμός των πόλεων ως αποτέλεσμα της μετακίνησης πληθυσμών από αγροτικές περιοχές είναι κάποια από τα καλά στοιχεία της αστικοποίησης. Ο αστικός τρόπος ζωής βελτιώνει τις συνθήκες υγείας και παιδείας και δύναται να αυξήσει το μέσο εισόδημα των πολιτών. Η συγκέντρωση ατόμων σε αστικά κέντρα συντελεί στην αναγκαία βελτίωση των παρεχόμενων υπηρεσιών και συνεπώς του βιοτικού επιπέδου. Υπάρχει όμως και η αρνητική πλευρά της αστικοποίησης που περιλαμβάνει τις αρνητικές συνέπειες σε άνθρωπο και κοινωνία. Οι επικριτές της αστικοποίησης τη χαρακτηρίζουν ως μια τεχνητή διαδικασία εξαναγκασμού μετακίνησης πληθυσμών που προκαταλαμβάνεται εν όψει των κυβερνητικών πολιτικών και της ανάπτυξης (Αγγελίδης, 2010). Με άλλα λόγια, οι άνθρωποι εξαναγκάζονται σε εσωτερική μετανάστευση η οποία οδηγεί σε συγκέντρωση πολλών ατόμων σε μικρό χώρο που δυσκολεύει τις διαπροσωπικές σχέσεις, αυξάνει το κόστος ζωής, υπονομεύει το περιβάλλον και μεταβάλλει το μικροκλίμα. Η κυκλοφοριακή συμφόρηση, η βιομηχανική συγκέντρωση και η περιβαλλοντική μόλυνση, είναι μεγαλύτερες σε αστικές από ότι σε αγροτικές περιοχές, συνεπώς η συχνά υπερβολική επιβάρυνση του [20]

21 αστικού κλίματος υπονομεύει την ανθρώπινη υγεία. Η αστικοποίηση, λοιπόν, έχει μεγάλη επιρροή στον άνθρωπο και το περιβάλλον Μικροκλίμα Η κτιριακή δομή και η γεωμετρία των σύγχρονων πόλεων επιδρούν στην διαμόρφωση του μικροκλίματος. Ένας βασικός παράγοντας στη διαμόρφωση των μικρομετεωρολογικών συνθηκών του αστικού ιστού και στη διαμόρφωση του μικροκλίματος είναι τα ρεύματα αέρα. Η γεωμετρία του αστικού ιστού, των οικοδομημάτων καθώς και ο πολεοδομικός σχεδιασμός, επηρεάζουν τη ροή και την κατεύθυνση του αέρα (φαινόμενο αστικής χαράδρας), με επιδράσεις στην ποιότητα του αέρα (διασπορά ρύπων), τις συνθήκες διαβίωσης, τη θερμοκρασία του αστικού κέντρου (φαινόμενο αστικής νησίδας) (Σχ.1.1). Σχήμα 1.1: Επίδραση διαφόρων παραγόντων στο μικροκλίμα Πηγή: Ιδία Επεξεργασία Μελετώντας τη δομή και τον τρόπο ανάπτυξης των σύγχρονων αστικών κέντρων, είναι δυνατή η ανάλυση των συνθηκών που διαμορφώνουν το περιβάλλον και τις συνθήκες διαβίωσης στα σύγχρονα αστικά κέντρα. Παράγοντες όπως ο τρόπος δόμησης, η χωροταξική διαμόρφωση πολεοδομικών ενοτήτων, η κατά ύψος επέκταση των πόλεων, η διάθρωση ελεύθερων χώρων και χώρων πρασίνου, η χρήση κατασκευαστικών υλικών, ο προσανατολισμός και το πλάτος των δρόμων, η ύπαρξη υδάτινων στοιχείων επιδρούν στην εμφάνιση διαβαθμισμένων κλιματικών φαινομένων που συνθέτουν την εικόνα του «αστικού μικροκλίματος» της πόλης. Ο όρος αυτός είναι συνυφασμένος µε τα εξής : Την έντονη πολυπλοκότητα που δημιουργεί η αλληλεπίδραση ποικίλων φυσικών και ανθρωπογενών παραγόντων [21]

22 Τη σηµαντική αλλοίωση και διαφοροποίηση, που έχουν υποστεί βασικά κλιµατικά στοιχεία που το καθορίζουν - όπως η διαθεσιμότητα της ηλιακής ακτινοβολίας, η υγρασία, η θερμοκρασία και οι συνθήκες ροής του ανέµου - σε σχέση µε τις μέσες και ακραίες τιµές από τα φυσικά κλιµατικά χαρακτηριστικά του τόπου Την ασυνέχεια των γενικών τιμών των παραπάνω μικροκλιµατικών στοιχείων και τη μεταβλητότητα στην οποία υπόκεινται κατά την ίδια χρονική στιγμή σε διαφορετικά σηµεία της αστικής περιοχής (Πολυχρονόπουλος, 2002) Η αντικατάσταση της βλάστησης ενός τόπου με τεχνητές επιφάνειες αλλοιώνει τη θερμική ισορροπία και την υδρολογία του τοπικού περιβάλλοντος. Τα κτίρια, τα πεζοδρόμια και οι δρόμοι έχουν σταδιακά αντικαταστήσει την προϋπάρχουσα τοπογραφία. Άμεση συνέπεια αυτού είναι η απορρόφηση ηλιακής ενέργειας από τους δρόμους και τις οροφές των κτιρίων. Επίσης, οι εκπομπές θερμών ρύπων από μέσα μεταφοράς και βιομηχανίες αλλά και τα κλιματιστικά συνεισφέρουν στην αύξηση της μέσης θερμοκρασίας στις αστικές περιοχές (Αγγελίδης, 2010). Η εμφάνιση θερμοκρασιών στο αστικό περιβάλλον υψηλότερες κατά 1-10 C σε σχέση με περιαστικές περιοχές είναι γνωστή ως το φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας (heat island effect). Το αστικό κλίμα έχει αντίκτυπο και στην ενεργειακή κατανάλωση για ψύξη των κτιρίων καθώς απαιτείται μεγαλύτερη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας Κυκλοφορία αέρα στον αστικό χώρο Για τον ορθό ενεργειακό σχεδιασμό των κτιρίων, τον υπολογισμό της κατανομής της ρύπανσης γύρω από τα κτίρια καθώς και τον σχεδιασμό συστημάτων αερισμού είναι απαραίτητη η γνώση για την κυκλοφορία του αέρα στο αστικό περιβάλλον και την κατανομή της θερμοκρασίας. Η μελέτη του πεδίου της ροής του αέρα είναι αρκετά σύνθετη. Μικρές διαφοροποιήσεις στην τοπογραφία της περιοχής μπορούν να προκαλέσουν ποικίλες ροές αέρα. Καθώς τα ρεύματα αέρα εισέρχονται από το περιαστικό περιβάλλον στον αστικό ιστό της πόλης, παρατηρούνται σημαντικές διαφοροποιήσεις λόγω της επίδρασης τοπικών παραμέτρων όπως η τοπογραφία, η γεωμετρία των κτιρίων, οι δρόμοι και άλλοι τοπικοί παράγοντες όπως π.χ. η φύτευση. Η μελέτη της ροής του αέρα επηρεάζει τις συνθήκες διαβίωσης στα σύγχρονα αστικά κέντρα, καθώς αφορούν άμεσα την δραστηριοποίηση των ανθρώπων, τη βιωσιμότητα και την αειφόρο ανάπτυξη των πόλεων (Κοσμόπουλος, Καντζιούρα, Μπουρίκας, 2008). Ο αέρας ρέει από τις παραπλήσιες περιοχές προς την πόλη και προσαρμόζεται στις νέες οριακές συνθήκες που συναντά, αυτό οδηγεί στην δημιουργία κατακόρυφων [22]

23 στρωμάτων αέρα στην ατμόσφαιρα. Οι κατακόρυφες όψεις που περιβάλλουν έναν αστικό δρόμο δρουν όπως τα πλευρικά τοιχώματα μιας φυσικής χαράδρας που μεταβάλλει τη στρωμάτωση των θερμοκρασιών και τα δεδομένα του ανέμου ανάλογα με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της (Μαρασινού, 2012). Η ροή του αέρα ανάμεσα στο έδαφος και στο ύψος των κτιρίων ρυθμίζεται από τα χαρακτηριστικά της ροής του αέρα πάνω από τα κτίρια καθώς και από την τοπογραφία των δρόμων, την ύπαρξη δέντρων, το είδος και το ύψος των κτιρίων. Η κατακόρυφη κατανομή της ταχύτητας του αέρα ανάμεσα στο έδαφος και το ύψος των κτιρίων ακολουθεί εκθετική κατανομή (Σχ.1.2) και χαρακτηρίζεται από μικρή ταχύτητα σε σχέση με αυτή πάνω από τα κτίρια (Σεργίδου, 2011). Σχήμα 1.2: Κατακόρυφη κατανομή της ταχύτητας του αέρα. Η συνεχής καμπύλη εκφράζει το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα πάνω από τα κτίρια και η διακεκομμένη καμπύλη δείχνει το αέριο στρώμα ανάμεσα στο έδαφος και το ύψος των κτιρίων Πηγή: Μαρασινού, 2012 Η γνώση της κυκλοφορίας του αέρα στους αστικούς δρόμους είναι απαραίτητη τόσο για την αξιολόγηση των συνθηκών άνεσης στις πόλεις, καθώς και για τη διερεύνηση των προβλημάτων ρύπανσης. Επομένως, γίνεται ολοένα και πιο σημαντική η μελέτη του κλίματός στο αστικό περιβάλλον και η εφαρμογή της γνώσης αυτής για τη βελτίωση και αναβάθμιση του περιβάλλοντος των πόλεων. [23]

24 [24]

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : ΠΟΛΥΦΑΣΙΚΕΣ ΡΟΕΣ Φάση είναι γενικά μια από τις καταστάσεις της ύλης και μπορεί να είναι αέρια, υγρή και στερεή. Πολυφασική ροή είναι η ταυτόχρονη ροή διαφόρων φάσεων. Διφασική είναι η απλούστερη περίπτωση της πολυφασικής ροής (Δ. Μάργαρης, 2000). ΔΙΦΑΣΙΚΗ ΡΟΗ Η διφασική ροή εμφανίζεται τόσο στο φυσικό κόσμο (π.χ. ομίχλη, καπνός, βροχή, σύννεφα, ανεμοθύελλες κλπ.) όσο και στο χώρο της τεχνικής (π.χ. εξάτμιση και συμπύκνωση στις ψυκτικές εγκαταστάσεις, στους σταθμούς παραγωγής ισχύος και σε διάφορες βιομηχανίες όπου γίνεται μεταφορά των διαφόρων υλών με τη βοήθεια ρευστών κλπ.) (Δ. Μάργαρης, 2000). Η διφασική ροή υπακούει σε όλους τους βασικούς νόμους της μηχανικής των ρευστών, με τη διαφορά ότι οι εξισώσεις είναι περισσότερο πολύπλοκες από αυτές της μονοφασικής ροής. Για τη διερεύνηση της διφασικής ροής έχουν αναπτυχθεί διάφορα μοντέλα, τα οποία ενώ δεν υπεισέρχονται στις λεπτομέρειες της ροής, δίνουν επιτυχή αποτελέσματα. Πρόσφατα προστέθηκε και μια τέταρτη φάση στις ήδη τρεις γνωστές φάσεις (ή καταστάσεις της ύλης), το πλάσμα. Οι τρείς φάσεις οι οποίες είναι η υγρή, αέρια και το πλάσμα χαρακτηρίζονται ως «ρευστά» καθώς παραμορφώνονται χωρίς την εφαρμογή εξωτερικών δυνάμεων. Όμως, υπό συγκεκριμένες προϋποθέσεις, και η στερεή φάση είναι σε θέση να χαρακτηρισθεί με τον όρο «ρευστό». Για παράδειγμα, κάτι τέτοιο ισχύει όταν ένας μεγάλος αριθμός μικρών στερεών σωματιδίων ρέει σε ένα ρευστό, η ταχύτητα του οποίου είναι αρκετά μεγάλη. Τα στερεά σωματίδια εμφανίζουν συμπεριφορά παρόμοια με αυτή ενός ρευστού και για αυτό το λόγο αυτά τα σωματίδια χαρακτηρίζονται ως «ψευδορευστό». Σε μια ροή υγρού με κάποιο αέριο εντός αγωγού κάθε μια από τις φάσεις καταλαμβάνει ένα ποσοστό της διατομής του αγωγού. Η κατανομή των φάσεων μέσα στον αγωγό ποικίλλει και οι διάφορες κατανομές κατηγοριοποιούνται σε μοντέλαείδη ροής (flow patterns). Κάθε μοντέλο ροής συνοδεύεται και από θεωρητικό μοντέλο οπότε αν είναι γνωστό για ποιες τιμές των ροϊκών παραμέτρων παράγεται κάθε είδος ροής μπορεί έτσι να επιλεγεί και το κατάλληλο θεωρητικό μοντέλο. Για την πρόβλεψη του μοντέλου ροής έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι αλλά καμία δεν κρίνεται ως πλήρως αξιόπιστη καθώς είναι δυνατή η πρόβλεψη του είδους ροής όχι όμως και οι συνθήκες στις οποίες θα γίνει μετάβαση από τον έναν τύπο ροής στον άλλον. [25]

26 Σε μια διφασική ροή, οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των ορών απώλειας πίεσης δεν λαμβάνουν υπ όψιν ποίο είδος ροής λαμβάνει χώρα και συνεπώς υπάρχουν συχνά ανακρίβειες. Με την εισαγωγή των κατάλληλων διορθωτικών συντελεστών για τις διάφορες τιμές των ροϊκών παραμέτρων το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζεται ικανοποιητικά. Η διαφορά της διφασικής από την μονοφασική ροή όσον αφορά τις εξισώσεις είναι ότι αυτές της διφασικής είναι περισσότερο περίπλοκές και για τη διερεύνηση της έχουν αναπτυχθεί διάφορα μοντέλα επίλυσης. Σύμφωνα με τον Dukler (1960), ο οποίος υπήρξε πρωτοπόρος στη χρήση υπολογιστικών μεθόδων, παρουσίασε μια έρευνα για τη μετάδοση θερμότητας σε συμπυκνωτές ψυκτικών εγκαταστάσεων, η οποία αποτελούσε προέκταση της μελέτης του Nussellt (1906). Η συνεργασία της Αμερικανικής Εταιρίας Αερίου και του Αμερικάνικου Ινστιτούτου Πετρελαίου είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία του προγράμματος ΝΧ-28 του Πανεπιστημίου του Χιούστον (Dukler A. E. & Taitel Y., 1986). Στη συνέχεια, με την στήριξη του Dukler ιδρύεται το Αμερικανικό Ινστιτούτο Χημικών Μηχανικών (American Institute of Chemical Engineers - AIChE) δημιουργώντας έτσι την πρώτη Επιτροπή Πολυφασικής Ροής με στόχο τη καλύτερη και ουσιαστική επικοινωνία των επιστημών και ερευνητών των Πανεπιστημίων. Έπειτα, υπό την εποπτεία του Dukler ιδρύεται το Ινστιτούτο Σχεδιασμού Πολυφασικών Διαδικασιών (Design Institute for Multiphase Processing DIMP). Η συνεργασία του Dukler με άλλους ερευνητές είχε ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη και άλλων μεθόδων πρόβλεψης των ροϊκών μοντέλων. Διάφορες ερευνητικές μελέτες με αντίστοιχο περιεχόμενο αναφέρονται παρακάτω: μοντέλο πρόβλεψης μετάβασης ροϊκών καταστάσεων σε οριζόντια και σχεδόν οριζόντια διφασική ροή αερίου-υγρού (Taitel and Dukler, 1976), θεωρητική προσέγγιση της θεωρίας Lockhart Martinelli για στρωματοποιημένη ροή (Taitel and Dukler, 1976), μοντέλο για την περιοδικότητα της ροής με τμήματα αέρα βληματοειδούς σχήματος (slug flow) σε οριζόντια και σχεδόν οριζόντια διφασική ροή αερίου-υγρού (Taitel and Dukler, 1977), μεταβατική διφασική ροή σε οριζόντιους σωλήνες μοντελοποίηση μεταβατικών ροϊκών καταστάσεων (Taitel et al., 1978),μοντελοποίηση μετάβασης ροϊκών καταστάσεων αερίου-υγρού σε κατακόρυφους σωλήνες (Taitel et al., 1980), μεταβατικό ροϊκό πεδίο διφασικής ροής αερίου-υγρού σε οριζόντιους και κεκλιμένους σωλήνες, σύγκριση θεωρίας και πειράματος (Barnea et al., 1980), μοντέλο για την πρόβλεψη συνθηκών πλημμύρισης και αντιστροφής της ροής σε διφασικές ροές αερίου-υγρού σε κατακόρυφους σωλήνες (Taitel et al., 1982), μετάδοση θερμότητας σε διακοπτόμενη slug flow σε οριζόντιους σωλήνες (Shoham et al., 1982), ροή αερίου-υγρού σε κεκλιμένους σωλήνες: μεταβάσεις ροϊκών καταστάσεων σε ροή προς τα πάνω (Barnea et al., 1985), επίδραση του μήκους [26]

27 σωλήνα στα όρια μετάβασης υγρών μεγάλης συνεκτικότητας (Taitel and Dukler, 1987). Ο Dukler, τα τελευταία χρόνια της ερευνητικής του πορείας, ασχολήθηκε με τα προβλήματα της διφασικής ροής και συνεργαζόμενος με το Εθνικό Πολυτεχνικό Ινστιτούτο της Toulouse (L Institut National Polytechnique de Toulouse) επικεντρώθηκε σε θέματα συμπεριφοράς της διφασικής ροής αερίου-υγρού σε συνθήκες μειωμένης βαρύτητας. Συνεχιστές του έργου του είναι οι ερευνητές J. McQuillen (NASA Lewis Research Center) και ο J. Fabré (L Institut National Polytechnique de Toulouse) οι οποίοι σε εργασίες τους ασχολήθηκαν με θέματα διφασικών ροών αερίου-υγρού και με τις ροϊκές καταστάσεις και τις μεταβάσεις αυτών. Οι συνεργάτες του Dukler, Taitel και Barnea, κατά τη δεκαετία του 90 ανέπτυξαν ερευνητική δραστηριότητα γύρω από τις πολυφασικές ροές και τη μεταφορά θερμότητας καθώς και τις μεταβάσεις των ροϊκών καταστάσεων και την ευστάθεια της στρωματοποιημένης ροής. Κάποια από τα θέματα στα οποία επικεντρώθηκε η έρευνα στην αρχή της δεκαετίας του 90, αφορούσαν τη διφασική ροή σε σωληνώσεις με χαμηλή ταχύτητα (Taitel et al., 1990), τη δομή και διεπιφανειακή ευστάθεια πολλαπλών λύσεων για στρωματοποιημένη ροή (Barnea and Taitel, 1992), τη δομική ευστάθεια στρωματοποιημένης ροής η προσέγγιση του μοντέλου δύο ρευστών (Barnea and Taitel, 1994) κ.ά. Ομογενής ροή Η θεωρία της ομογενούς ροής είναι η απλούστερη τεχνική για την ανάλυση της διφασικής ροής. Το μίγμα θεωρείται σαν ένα ιδεατό ρευστό για το οποίο ισχύουν οι εξισώσεις της απλής ροής (μονοφασικής). Ομογενής θεωρείται η ροή στην οποία το διασκορπισμένο συστατικό είναι ομοιόμορφα κατανεμημένο μέσα στο φορέα, δηλαδή η συγκέντρωση μάζας είναι σταθερή σε όλη τη διατομή σε ένα σημείο του αγωγού και οι ταχύτητες των δύο συστατικών είναι ίσες. Το βασικό πρόβλημα στην ομογενή ροή είναι να υπολογιστούν οι ιδιότητες του ιδεατού ρευστού, οι οποίες εισερχόμενες στις εξισώσεις της απλής ροής θα δώσουν τα επιθυμητά σωστά αποτελέσματα. Οι ιδιότητες αυτές αποτελούν κατά κάποιον τρόπο τις μέσες τιμές των ιδιοτήτων των δύο συστατικών χωρίς να είναι αναγκαίο να συμπίπτουν με τις ιδιότητες μιας από τις δύο φάσεις. [27]

28 Χωριστή διφασική ροή Κατά τη θεώρηση της διφασικής ροής ρευστού-στερεού έχουν αποδειχθεί με επιτυχία βασικές καταστρώσεις που πραγματεύονται κάθε μια φάση χωριστά δίπλα στην άλλη. Στο μοντέλο της διαχωριστής ροής οι δύο φάσεις θεωρούνται ότι ρέουν παράλληλα. Χρησιμοποιούνται ξεχωριστές εξισώσεις για κάθε φάση ενώ λαμβάνεται υπόψη κα η αλληλεπίδραση των φάσεων. [28]

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : ΡΟΗ ΚΑΙ ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΡΥΠΩΝ ΣΕ ΑΣΤΙΚΗ ΟΔΙΚΗ ΧΑΡΑΔΡΑ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η υγεία, η ευημερία και η άνεση του πληθυσμού μιας πόλης εξαρτάται από την ποιότητα του αέρα του αστικού περιβάλλοντος. Η συνεχής αύξηση του πληθυσμού και η ολοένα μεγαλύτερη χρήση των οχημάτων, η οποία αποτελεί το υπ αριθμό ένα αίτιο επιβάρυνσης του αέρα, έχει ως συνέπεια την υποβάθμιση της ποιότητας του μικροκλίματος. Οι καινοτομίες και οι βελτιώσεις στην τεχνολογία των καυσίμων και στις μηχανές εσωτερικής καύσης οι οποίες στοχεύουν στην μείωση των εκπεμπόμενων ρυπαντών λαμβάνουν χώρα τα τελευταία χρόνια. Οι πυκνοκατοικημένες περιοχές που απαντώνται στο μεγαλύτερο μέρος του αστικού περιβάλλοντος εμποδίζουν το φυσικό εξαερισμό συνεπώς ο χωροταξικός σχεδιασμός των κτιρίων καθώς και η γεωμετρία των δρόμων χρειάζεται να επανεξετασθούν. Οι κινήσεις των αέριων μαζών επηρεάζονται τόσο από τα χαρακτηριστικά του ανέμου όσο και από τη θερμοκρασιακή ευστάθεια η οποία ελέγχει την ορμή του αέρα λόγω των ανωστικών δυνάμεων. Το φαινόμενο της θερμικής νησίδας εντείνει τη μεταβολή της θερμοκρασιακής διαστρωμάτωσης κατά τη διάρκεια της ημέρας, με αποτέλεσμα να αναπτύσσονται διαφορετικοί μηχανισμοί διασποράς των καυσαερίων (Αγγελίδης, 2010). Επομένως, είναι ιδιαίτερα σημαντική η κατανόηση των μηχανισμών διασποράς ρύπων σε διάφορα σενάρια πνέοντος ανέμου, γεωμετρίας κτισμάτων και θερμοκρασιακής ευστάθειας για τον σχεδιασμό των αστικών περιοχών και τη ρύθμιση του κυκλοφοριακού φόρτου. Ο σχεδιασμός, όμως, δεν παύει να είναι μια δύσκολη διαδικασία καθώς υπάρχει απαίτηση για ικανοποίηση διαφορετικών συμφερόντων και αντιφατικών συνθηκών. Οι στόχοι προς επίτευξη είναι οι εξής: Μεγιστοποίηση της διασποράς των καυσαερίων που ελκύονται από τα οχήματα με σκοπό να περιοριστούν οι βλαβερές συνέπειες στους κατοίκους Μεγιστοποίηση της διείσδυσης της ηλιακής ακτινοβολίας προκειμένου να γίνεται εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας από τα κτίρια, χωρίς να υφίσταται εκτεταμένη σκίαση στις οδικές χαράδρες Περιορισμός του φαινομένου της θερμικής νησίδας, κυρίως σε περιοχές όπου επικρατούν θερμά κλίματα Διατήρηση της ταχύτητας του πνέοντος ανέμου σε χαμηλά επίπεδα προκειμένου να είναι άνετη η μετακίνηση των πεζών και ασφαλείς οι [29]

30 συνθήκες οδήγησης, εξασφαλίζοντας παράλληλα μικρές ενεργειακές απώλειες στα κτίρια (Αγγελίδης, 2010). Από τα παραπάνω γίνεται κατανοητή η δυσκολία στο σχεδιασμό των πόλεων καθώς οι παραπάνω απαιτήσεις είναι αντικρουόμενες. Η μελέτη και διερεύνηση των ατμοσφαιρικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στο μικροκλίμα εντός του αστικού περιβάλλοντος μοντελοποιούνται και εξετάζονται με τη βοήθεια αεροδυναμικών σηράγγων καθώς επίσης γίνονται μετρήσεις σε πραγματικές συνθήκες για τη διεξαγωγή αποτελεσμάτων πιο κοντά στην πραγματικότητα. Ακόμη, η μοντελοποίηση αυτών των διεργασιών γίνεται ευκολότερη με τη βοήθεια των προηγμένων υπολογιστικών τεχνικών και με τη συνεχή ανάπτυξη των υπολογιστικών δυνατοτήτων αποτελούν εργαλείο για την κατανόηση των μηχανισμών διασποράς και διάχυσης. Πληθώρα μελετών που στηρίζονται τόσο σε πειραματικές όσο και σε θεωρητικές προσεγγίσεις είναι ικανές για την κατανόηση των μηχανισμών που επικρατούν σε αστικές περιοχές όσο και των παραμέτρων που συνιστούν την υποβάθμιση του αστικού κλίματος. Σκοπός του παρόντος κεφαλαίου είναι η κατανόηση των μηχανισμών μεταφοράς και διάχυσης με τα προβλήματα που δημιουργούνται καθώς και η καταγραφή των επιστημονικών εξελίξεων. 3.2 ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΟΔΙΚΗΣ ΧΑΡΑΔΡΑΣ Η περιοχή ενός αστικού δρόμου ο οποίος περιβάλλεται από κτίρια και από τις δύο μεριές στην βιβλιογραφία καταγράφεται ως οδική ή αστική χαράδρα. Σχήμα 3.1: Οδική χαράδρα- Street canyon Πηγή: Α.Π.Θ., Εργαστήριο μετάδοσης θερμότητας και περιβαλλοντικής μηχανικής Αρχικά, ο όρος της οδικής χαράδρας αναφερόταν στα παρακείμενα κτίρια ως πολύ ψηλότερα από το πλάτος του δρόμου. Με την πάροδο του χρόνου ο όρος απέκτησε ευρύτερη σημασία, συμπεριλαμβάνοντας οποιαδήποτε δισδιάστατη ή [30]

31 τρισδιάστατη ακολουθία κτιρίων όπως δρόμους χωρίς ψηλά κτίρια ή περιοχή μεταξύ δύο κτιρίων που απέχουν πολύ ή δρόμους όπου τα κτίρια δεν είναι συνεχόμενα, αλλά υπάρχουν και ανοίγματα δεξιά και αριστερά κατά μήκος της οδού. Τέτοιο σχηματισμοί κυριαρχούν στις αστικές περιοχές και συγκεντρώνουν ιδιαίτερα χαρακτηριστικά γεγονός που καθιστά την μελέτη τους ιδιαίτερα περίπλοκη. Η ροη και τα θερμοκρασιακά χαρακτηριστικά έχουν ιδιαίτερη βαρύτητα για την ασφάλεια και την άνεση των κατοίκων των πόλεων όσον αφορά την προστασία από τον άνεμο, το κρύο, τη ζέστη, τη βροχή και γενικώς τα έντονα καιρικά φαινόμενα (T.R.Oke, 1988). Επίσης, σε οδικές χαράδρες με υψηλή κυκλοφορία αυτοκινήτων συγκεντρώνεται πληθώρα ρύπων, οι οποίοι λόγω του χαμηλού αερισμού παγιδεύονται μεταξύ των κτιρίων και είναι άμεσα επικίνδυνοι για την υγεία των ανθρώπων οι οποίοι ζουν, εργάζονται, περπατούν σε αυτές καθώς και έμμεσα επικίνδυνοι για ολόκληρη την πόλη, η οποία αποτελείται από αλληλουχία οδικών χαραδρών. Τα κύρια χαρακτηριστικά μιας οδικής χαράδρας είναι το ύψος H, το πλάτος W και το μήκος L όπως φαίνονται στο σχήμα (Σχ.3.2). Σχήμα 3.2: Γεωμετρικά χαρακτηριστικά οδικής χαράδρας Πηγή: Κουτσουράκης, 2007 Η μελέτη μιας τέτοιας χαράδρας μπορεί να είναι είτε δισδιάστατη (2D), δηλαδή θεωρώντας ότι το μήκος L είναι πολύ μεγάλο και ότι η εικόνα της ροής σε επίπεδα κάθετα με τον άξονα του δρόμου είναι ίδια, ή τρισδιάστατη (3D) οπότε λαμβάνεται υπόψη και το μήκος και εξετάζεται η πλήρης ροή γύρω από τα κτίρια. Η δισδιάστατη μελέτη είναι η πιο διαδεδομένη. Μπορεί να μελετηθεί μόνο μια κατεύθυνση του ελεύθερου ανέμου, αυτή που είναι κάθετη στον άξονα του δρόμου. Η περίπτωση αυτή παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον καθώς έχει την πιο χαρακτηριστική ροή και είναι από τις δυσμενέστερες όσον αφορά την παγίδευση των ρύπων. Ακόμη, η δισδιάστατη ροή σε χαράδρα είναι πρωτογενής και προσελκύει το ενδιαφέρον σε όσους θέλουν να μελετήσουν τις βασικές ροές. Όσον αφορά την τρισδιάστατη ροή μελετά φαινόμενα που οφείλονται στο πεπερασμένο μήκος και δεν μπορούν να [31]

32 αγνοηθούν σε κάποιες περιπτώσεις καθώς και για προσομοίωση πραγματικών τμημάτων πόλεων. Σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις που μελετάται οδική χαράδρα, θεωρείται ότι ο άνεμος είναι κάθετος σε αυτήν εκτός κι αν αναφέρεται κάτι διαφορετικό. Το βασικό χαρακτηριστικό για την μελέτη είναι ο λόγος επιμήκους H/W. Η κανονική οδική χαράδρα έχει λόγο επιμήκους 1, ενώ μεγαλύτεροι λόγοι χαρακτηρίζουν τις βαθιές χαράδρες και μικρότεροι τις φαρδιές. Στην περίπτωση των τριών διαστάσεων, ανάλογα με το λόγο L/H οι χαράδρες μπορεί να είναι κοντές (L/H<3), μεσαίες (L/H=5) ή μακριές (L/H>7). Τέλος, ανάλογα αν τα εκατέρωθεν κτίρια έχουν ίδιο ή όχι ύψος, υπάρχουν οι συμμετρικές και οι μη συμμετρικές χαράδρες (Vardoulakis, Fisher et.al, 2003). Οι μη συμμετρικές χαράδρες κατατάσσονται περαιτέρω σε χαράδρες αύξησης αναβαθμού (step-up), όταν το κτίριο κατάντι της ροής είναι πιο ψηλό και σε μείωσης αναβαθμού (step-down), όταν είναι πιο χαμηλό (Κουτσουράκης, 2007). Οι οδικές χαράδρες αποτελούν περιοχές στις οποίες ο κύριος όγκος των αέριων ρύπων εκλύεται από το έδαφος, με αποτέλεσμα να δίνεται βαρύτητα στο μηχανισμό διασποράς τους καθώς και στις θέσεις μεγιστοποίησης των συγκεντρώσεων. Η πολυπλοκότητα στην γεωμετρία των οδικών χαραδρών έχει ως συνέπεια την ανάπτυξη πεδίων ροής με περιοχές έντονης ανακυκλοφορίας και περιοχές επιταχυνόμενης ροής. Η μεταβλητή ένταση και κατεύθυνση του πνέοντος ανέμου καθώς και η τρισδιάστατη φύση της γεωμετρίας των κτιρίων έχουν ως αποτέλεσμα τη μη μονιμότητα του πραγματικού πεδίου ροής. Συνεπώς, αυτή η έντονη ανομοιομορφία του πεδίου ροής στις οδικές χαράδρες μιας πόλης, έχει ως άμεση συνέπεια τη δημιουργία περιοχών με πολύ υψηλές συγκεντρώσεις ρύπων. Ταυτόχρονα, το πεδίο αυτό είναι κατά κύριο λόγο τυρβώδες, ενώ οι μηχανισμοί διασποράς των αέριων ρύπων επηρεάζονται και από τη θερμοκρασιακή ευστάθεια. Για το λόγο αυτό η κατάταξη των οδικών χαραδρών με βάση τα γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά κρίνεται σκόπιμη. 3.3 ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΡΟΗΣ ΜΙΑΣ ΑΣΤΙΚΗΣ ΟΔΙΚΗΣ ΧΑΡΑΔΡΑΣ Το Απομονωμένο Κτίριο Ο χωροταξικός σχεδιασμός καθώς και η γεωμετρίας των κτιρίων και των δρόμων είναι βασική συνιστώσα για τη διασπορά και διάχυση των ρύπων στο πεδίο ροής της αστικής χαράδρας. Η απλούστερη μελέτη περίπτωσης αφορά τη διεξαγωγή πειράματος για τη διερεύνηση του πεδίου ροής όταν ο αέρας προσπίπτει σε ένα μεμονωμένο κτίριο κυβικού σχήματος (Σχ. 3.3). [32]

33 Σχήμα 3.3: Ροή γύρω από κτίριο κυβικού σχήματος Πηγή: Αγγελίδης, 2010 Η πλειοψηφία των μελετών που έχουν διεξαχθεί αφορούν τη διερεύνηση του ροϊκού πεδίου και της διασποράς των ρύπων γύρω από εδρασμένο κύβο σε ουδέτερες συνθήκες θερμοκρασιακής διαστρωμάτωσης (Castro and Robins, 1977; J. C. Hunt, 1978). Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 3.3 αναπτύσσονται πολύπλοκες δομές στο πεδίο ροής καθώς ο άνεμος προσπίπτει κάθετα σε μια πλευρά του κτιρίου. Στην προσήνεμη πλευρά του κτιρίου αναπτύσσεται στρόβιλος πεταλοειδούς μορφής ενώ στην υπήνεμη πλευρά στρόβιλος τοξοειδούς σχήματος. Υπάρχει αποκόλληση του πεδίου ροής στην άνω πλευρά καθώς και στα πλάγια του κτιρίου και η έκταση αυτής της αποκόλλησης εξαρτάται τόσο από τα χαρακτηριστικά του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος όσο και από τη γεωμετρία του κτιρίου. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις για όπου ο αριθμός βασίζεται στο ύψος του κτιρίου και στην ταχύτητα του ανέμου ίση με αυτή της ελεύθερης ροής (Castro and Robins, 1977). [33]

34 Σχήμα 3.4: Κάτοψη του πεδίου ροής και απεικόνιση των γραμμών ροής- πειραματική διερεύνηση Πηγή: Castro and Robins, 1977 Οι δύο ερευνητές εξέτασαν το μοντέλο με ομοιόμορφη διανομή ταχυτήτων αλλά και με παραβολική διανομή δημιουργώντας έτσι μια προσομοίωση του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος. Η μελέτη τους διαπιστώνει ότι η επανακόλληση του ροϊκού πεδίου στο κτίριο καθώς και η έκταση της ανακυκλοφορίας περιορίζεται με την αύξηση των επιπέδων τύρβης του προσπίπτοντος ανέμου (Castro and Robins, 1977). Οι προσομοιώσεις του πεδίου ροής με μετρήσεις σε αεροδυναμική σήραγγα προσεγγίζουν αρκετά το πεδίο ροής υπό πραγματικές συνθήκες. Έχουν πραγματοποιηθεί λεπτομερείς μελέτες με στόχο τη διερεύνηση του πεδίου όπως αυτή του Meinders με άλλους ερευνητές στην περιοχή 2750<, οι οποίοι συμπέραναν ότι υπάρχει ανεξαρτησία του Re στην περιοχή 2000< (Meinders et al., 1999). Από τη βιβλιογραφική ανασκόπηση, παρόμοιες μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί, βασισμένες σε αυτές τις πειραματικές μετρήσεις, οι οποίες διαπίστωσαν ότι ύστερα από αριθμητικές προλέξεις με LES, τα χαρακτηριστικά του πεδίου ροής για και είναι παρόμοια (Rodi et al., 1997). Ο έλεγχος για την αξιοπιστία των υπολογιστικών αλγόριθμων για τα διάφορα μοντέλα τύρβης αποτέλεσε αντικείμενο έρευνας για πολλούς μελετητές όπως ο Murakami ο οποίος με άλλους ερευνητές διερεύνησαν την αριθμητική προσομοίωση του προβλήματος με υπολογισμούς βασισμένους στα μοντέλα τύρβης k-ε, ASM και LES ενώ η διακριτοποίηση των εξισώσεων πραγματοποιήθηκε με το σχήμα QUICK και μετατοπισμένο υπολογιστικό πλέγμα (Murakami,Mochida et al., 1992). Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι το μοντέλο k-ε και ASM υπερεκτιμούν την τυρβώδη κινητική ενέργεια που παράγεται όταν προσπίπτει ο άνεμος στην μπροστινή πλευρά του κτιρίου. Σε αντίθεση, το μοντέλο LES δίνει μεγαλύτερης ακρίβειας αποτελέσματα διότι λαμβάνει υπόψη τόσο την ανισοτροπία της τύρβης όσο και τη μονιμότητα του πεδίου ροής. Η μελέτη του Shah σε συνεργασία με άλλους ερευνητές είχε αντικείμενο την αριθμητική προσομοίωση με LES και αριθμό Reynolds ίσο με [34]

35 , όμως λόγω των υψηλών υπολογιστικών απαιτήσεων περιορίστηκε το υπολογιστικό χωρίο τους με αποτέλεσμα 50% έμφραξη στο πεδίο ροής. Στο Σχήμα 3.5 παρουσιάζονται οι γραμμές του πεδίου ροής σε διάφορα επίπεδα. Σε αυτό διακρίνονται η θέση του πεταλοειδούς στροβίλου (Α), η γραμμή επανακόλλησης (Β), η μέση γραμμή επανακόλλησης (C) αλλά και η μέση γραμμή αποκόλλησης (D), οι δύο θέσεις ελικοειδούς κίνησης του αέρα (Ε), η ζώνη ανακυκλοφορίας στην προσήνεμη πλευρά (F), η κορυφή του τοξοειδούς σχηματισμού στροβίλων (G), το μήκος επανακόλλησης (Η) αλλά και η ζώνη ανακυκλοφορίας στην επάνω πλευρά του κύβου (I) (Αγγελίδης, 2010). Σχήμα 3.5α: Γραμμές ροής- Απεικόνιση σε κάτοψη σε περιοχή κοντά στο έδαφος Σχήμα 3.5β: Γραμμές ροής- Απεικόνιση στο μέσο κατακόρυφο επίπεδο [35]

36 Σχήμα 3.5γ: Προβολή γραμμών ροής σε επίπεδο κάθετο που απέχει 0.1 χαρακτηριστικά μήκη από την πίσω πλευρά του κύβου Σχήμα 3.5 (α, β & γ): Γραμμές ροής γύρω από εδρασμένο κύβο- πρόλεξη με LES Πηγή: Shah et al., 2000 Μια ακόμη μελέτη με αντικείμενο την αριθμητική προσομοίωση του προβλήματος πραγματοποιήθηκε από τον ερευνητή Yahhot με τη μέθοδο DNS σε συνδυασμό με μεθοδολογία εμβαπτισμένου τοιχώματος (Σχ. 3.6). Σχήμα 3.6: Γραμμές ροής σε χρονικά μέση τιμή πεδίου- πρόλεξη με DNS Re=5610 Πηγή: Yakhot et al., 2006 Στη συγκεκριμένη μελέτη ο αριθμός Re έχει την τιμή Re=5610, βασιζόμενος στο ύψος της αεροδυναμικής σήραγγας και την ελεύθερη ροή του αέρα. Στην ίδια μελέτη συσχετίζεται η αλληλεπίδραση του πεταλοειδούς στροβίλου που αναπτύσσεται ανάντι και στο πλάι του κύβου με τον τοξοειδή σχηματισμό στροβίλων κατάντι, που είναι το αίτιο της μη μονιμότητας του ροϊκού πεδίου (Αγγελίδης, 2010; Yakhot et al., 2006). Τα αποτελέσματα της έρευνας απέδειξαν ότι η μέθοδος DNS είναι αρκετά αξιόπιστη διότι καθορίστηκε η χαρακτηριστική συχνότητα εκροής (St) [36]

37 σε πολύ καλή συμφωνία με πειραματικά δεδομένα (Αγγελίδης, 2010; Yakhot et al., 2006). 3.4 ΤΟ ΟΡΙΑΚΟ ΣΤΡΩΜΑ Η έννοια του Οριακού Στρώματος Από τη μελέτη της ροής των ρευστών, όπως προκύπτει από τις μετρήσεις, εντοπίζονται περιπτώσεις όπου η κατανομή του πεδίου ροής εμφανίζει παρόμοια συμπεριφορά με αυτή των ιδανικών ρευστών. Τέτοιες περιπτώσεις είναι η ροή ρευστού γύρω από επίπεδη πλάκα και η ροή γύρω από αεροτομή όπου η επίδραση του ιξώδους περιορίζεται σε μια μικρή περιοχή του στερεού ορίου. Καθώς το ρευστό ρέει γύρω από το στερεό σώμα κατά μήκος των τοιχωμάτων η ταχύτητα είναι μηδενική λόγω της συνθήκης μη ολίσθησης. Γύρω από το στερεό σώμα δημιουργείται ένα λεπτό στρώμα όπου η ταχύτητα λαμβάνει τιμές από μηδέν έως την ταχύτητα ελεύθερου ρεύματος και αυτή η περιοχή ονομάζεται οριακό στρώμαboundary layer. Στο Σχήμα 3.7 παρουσιάζεται η ροή νερού γύρω από λεπτή επίπεδη πλάκα όπου το οριακό στρώμα, με τη βοήθεια ρινισμάτων αλουμινίου, απεικονίζεται με τις ρευματικές γραμμές (Κορμανιώτης, 2006). Σχήμα 3.7: Απεικόνιση οριακού στρώματος από ρευματικές γραμμές με τη βοήθεια ρινισμάτων αλουμινίου Πηγή: Κορμανιώτης, 2006 [37]

38 Έναν ορισμό του οριακού στρώματος έδωσε ο Prandtl το 1904 και αναφερόταν στην περιοχή της ροής που δημιουργείται γύρω από ένα σώμα όταν αυτό βρίσκεται σε κίνηση με τον αέρα. Η περιοχή αυτή έχει πολύ μικρό πάχος και η ταχύτητας της ροής είναι διαφορετική από την ταχύτητα της ροής σε σημεία εκτός αυτής. Το πεδίο ροής, καθώς ο αέρας κινείται γύρω από το σώμα, χωρίζεται σε δύο κατηγορίες: i. Στην περιοχή του λεπτού στρώματος τριβής στην άμεση γειτονιά του σώματος, στην οποία η βαθμίδα της ταχύτητας που είναι η κάθετη στο τοίχωμα είναι πολύ μεγάλη. Επίσης, η διατμική τάση ισούται με και μπορεί να πάρει μεγάλες τιμές. Σε αυτή την περιοχή η ροή ελέγχεται από δυνάμεις αδράνειας καθώς και από δυνάμεις τριβής. ii. Στην περιοχή εκτός του οριακού στρώματος όπου οι δυνάμεις τριβής θεωρούνται αμελητέες και η συμπεριφορά του αέρα είναι παρόμοια με τη συμπεριφορά ενός ιδανικού αερίου (Νέζης, 2009). Όπως παρατηρείται και από το Σχήμα 3.8 θεωρείται ότι ο αέρας ρέει γύρω από μια επίπεδη πλάκα άπειρου μήκους με ταχύτητα V ομοιόμορφα κατανεμημένη. Λόγω ιξώδους δημιουργείται το οριακό στρώμα με τη ροή αέρα γύρω από την πλάκα, όπου η ταχύτητα του αέρα U εντός οριακού στρώματος είναι πολύ αργή και διάφορη από την ταχύτητα V εκτός αυτού. Όταν ο αέρας ρέει εφαπτομενικά στην επιφάνεια της πλάκας τότε τα μόρια του αέρα έχουν μηδενική ταχύτητα (no-slip condition) και στη συνέχεια αρχίζει να αυξάνεται μέχρι να φτάσει την τιμή της αρχικής ταχύτητας V στο επάνω μέρος του οριακού στρώματος. Σχήμα 3.8: Ροή αέρα γύρω από επίπεδη πλάκα άπειρου μήκους Πηγή: Schlichting, 1979 [38]

39 3.4.2 Χαρακτηριστικά μεγέθη οριακού στρώματος Πάχος δ Οριακού Στρώματος- Boundary layer thickness Ως πάχος δ ορίζεται η κάθετη απόσταση y μεταξύ του στερεού ορίου και του σημείου όπου η ταχύτητα U διαφέρει από την εξωτερική ταχύτητα V κατά 1% δηλαδή U=0,99V. Το πάχος δ δεν είναι σταθερό σε όλο το μήκος αλλά υπάρχουν διαβαθμίσεις. Στο σημείο προσβολής στην ακμή της πλάκας είναι μηδέν και στη συνέχεια αυξάνεται καθώς αυξάνεται η x διεύθυνση ώστε να ικανοποιείται η αρχή διατήρησης της μάζας (Σχ. 3.9). Σχήμα 3.9: Πάχος δ Οριακού Στρώματος Πηγή: Κορμανιώτης, 2006 Η διατμητική τάση δίνεται από τον πειραματικό νόμο της τριβής του Newton και ισούται με: Από τον τύπο συμπεραίνεται ότι αν το ιξώδες του ρευστού είναι μικρό η διατμητική τάση παίρνει μεγάλες τιμές εντός του οριακού στρώματος εξαιτίας της μεγάλης βαθμίδας ταχύτητας μέσα σε αυτό. Πάχος δ 1 μετατόπισης- Displacement thickness Το πάχος μετατόπισης δ 1 ορίζεται ως το μέγεθος της μετατόπισης του στερεού σώματος ώστε αν η ταχύτητα είναι σταθερή και ίση με V να δοθεί η ίδια παροχή ή ποια θα ήταν η ιδεατή αύξηση του πάχους του σώματος, αν η ταχύτητα γύρω από αυτό παρέμενε εκείνη που θα επέβαλε το αντίστοιχο αστρόβιλο πεδίο (Νέζης, 2009). [39]

40 Πάχος μετατόπισης δ 1 = Πάχος δ 2 Ορμής- Momentum thickness Το πάχος ορμής δ 2 ορίζεται ως το μέγεθος της απόστασης μετακίνησης του τοιχώματος όταν το ρευστό είναι ιδανικό ώστε να διατηρηθεί η ίδια ορμή στο ρευστό. Πάχος ορμής δ 2 = Μέτρο απώλειας της ορμής= Πάχος δ 3 Διάχυσης της Ενέργειας Το πάχος διάχυσης της ενέργειας δ 3 ορίζεται ως το μέγεθος της απόστασης μετακίνησης του τοιχώματος ώστε να διατηρηθεί η ίδια κινητική ενέργεια στο ρευστό. Πάχος διάχυσης της ενέργειας δ 3 = Μέτρο απώλειας της κινητικής ενέργειας= Τύποι Ροής στο Οριακό Στρώμα Εντός του οριακού στρώματος διακρίνονται τρεις τύποι ροής οι οποίοι παρουσιάζονται και αναλύονται παρακάτω (Σχ. 3.10). [40]

41 Σχήμα 3.10: Τύποι Ροής στο Οριακό Στρώμα Πηγή: Αθανασιάδης, ος Τύπος Ροής: Στρωτή Ροή Η στρωτή ροή είναι η πιο απλή μορφή ροής κατά την οποία τα σωματίδια του ρευστού ακολουθούν συγκεκριμένη πορεία και το καθένα λαμβάνει τη θέση του προηγούμενου. Η ροή γίνεται σε στοιβάδες όπου η μία ολισθαίνει πάνω στην άλλη και οι γραμμές ροής ταυτίζονται με τις τροχιές των σωματιδίων του ρευστού. Στο συγκεκριμένο τύπο ροής, οι δυνάμεις συνεκτικότητας είναι μεγαλύτερες από τις δυνάμεις αδράνειας. 2 ος Τύπος Ροής: Μεταβατική Περιοχή Στη μεταβατική περιοχή τα σωματίδια του ρευστού παύουν να ακολουθούν συγκεκριμένη πορεία όπως στη στρωτή ροή και αρχίζουν να αναπτύσσουν σταδιακά άτακτες τροχιές στο οριακό στρώμα. 3 ος Τύπος Ροής: Τυρβώδης Ροή Σε αυτό τον τύπο ροής τα σωματίδια του ρευστού κινούνται ακανόνιστα με πιο έντονη μορφή από αυτή της μεταβατικής περιοχής. Αυτή η ροή παρουσιάζει χαοτικό χαρακτήρα και κύριο χαρακτηριστικό είναι η ανάπτυξη στροβίλων διαφόρων μεγεθών και εντάσεων. Στη συγκεκριμένη μορφή ροής στο οριακό στρώμα εμφανίζεται ένα σημείο το οποίο ονομάζεται Σημείο Αποκόλλησης όπου το ρευστό αποκολλάται από το σώμα (Σχ.3.11). Η αποκόλληση του ρευστού από το σώμα έχει ως συνέπεια την εμφάνιση δίνης και την αύξηση του πάχους του οριακού στρώματος. [41]

42 Αυτή η αστάθεια της ροής έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία τύρβης καθώς η εξωτερική ταχύτητα του ρευστού είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα που έχει εντός του οριακού στρώματος. Αυτή η διαφορά στην ταχύτητα επηρεάζει τις δυνάμεις τριβής οι οποίες δεν μπορούν να κατευνάσουν τις διαταραχές που δημιουργούνται από την αύξηση των δυνάμεων αδράνειας και αυτό οδηγεί στην τυρβώδη ροή. Σχήμα 3.11: Σημείο Αποκόλλησης της ροής από το σώμα Πηγή: Αθανασιάδης, 1989 Η σημαντικότητα του φαινομένου της αποκόλλησης του οριακού στρώματος φαίνεται και στο σχεδιασμό αεροτομών των πτερυγίων των αεροπλάνων. Το Σχήμα 3.12α&β απεικονίζει το πεδίο ροής του ρευστού γύρω από μια αεροτομή υπό διαφορετικές γωνίες προσβολής. Όταν η γωνία προσβολής ισούται με 10 ο η συμπεριφορά του πεδίου ροής προσεγγίζει αυτή του ιδανικού ρευστού. Καθώς η γωνία προσβολής αυξάνεται, η ροή μέσα στο οριακό στρώμα μεταβαίνει σε τυρβώδη με σημάδια έναρξης του φαινομένου της αποκόλλησης. Όταν η γωνία προσβολής γίνει 15 ο τότε η αεροτομή χάνει την άντωση και το αεροσκάφος έχει απώλεια στήριξης (stall). [42]

43 Σχήμα 3.12α: Το Οριακό Στρώμα αεροτομής του πτερυγίου του αεροπλάνου Σχήμα 3.12β: Το φαινόμενο της Αποκόλλησης σε αεροτομή πτερυγίου του αεροπλάνου Πηγή: Κορμανιώτης, 2006 Ένα κριτήριο κατηγοριοποίησης των ροών είναι ο αριθμός Reynolds (Re) ο οποίος ισούται με Re= U L/v όπου U η χαρακτηριστική ταχύτητα και L το χαρακτηριστικό μήκος και v το κινηματικό ιξώδες ρευστού. Η στρωτή ροή χαρακτηρίζεται από μικρό αριθμό Re ενώ η τυρβώδης ροή από μεγάλο αριθμό Re Ατμοσφαιρικό και Αστικό Οριακό Στρώμα Ατμοσφαιρικό Οριακό Στρώμα Το Ατμοσφαιρικό Οριακό Στρώμα ορίζεται ως το στρώμα της ατμόσφαιρας που επηρεάζεται ιδιαίτερα από την ύπαρξη της γήινης επιφάνειας και η απόκρισή του σε επιφανειακές δυνάμεις πραγματοποιείται σε χρονοκλίμακες της τάξης της μίας ώρας (Stull, 1988). Η έκταση του Ατμοσφαιρικού Οριακού Στρώματος μεταβάλλεται με το χρόνο καθώς και λόγω θερμοκρασιακής διαστρωμάτωσης και η έκταση του κυμαίνεται από 1 έως 2 χλμ. [43]

44 Σχήμα 3.13: Ατμοσφαιρικό Οριακό Στρώμα Πηγή: U.S. Department of Commerce- National Oceanic & Atmospheric Administration Η διερεύνηση και κατανόηση των μηχανισμών του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος είναι σημαντική για τη μελέτη του κλίματος και τη προσομοίωση της διασποράς των ρύπων από τα υπολογιστικά μοντέλα. Επίσης, η πρωτογενής συναλλαγή θερμότητας και νερού από την επιφάνεια της γης που λαμβάνει χώρα στο ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα διαμορφώνει σημαντικά το γήινο κλίμα. Ωστόσο, η συγκεκριμένη εργασία εστιάζεται περισσότερο στο Αστικό Οριακό Στρώμα που αναλύεται παρακάτω. Αστικό Οριακό Στρώμα Όπως γύρω από ένα περιρρεόμενο στερεό σώμα η ταχύτητα του ρευστού πέφτει σχηματίζοντας το οριακό στρώμα, έτσι και όταν έχουμε ροή του ανέμου πάνω από μια πόλη, δημιουργείται το «αστικό οριακό στρώμα», το οποίο έχει κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Πολλές μετρήσεις και παρατηρήσεις έχουν δείξει ότι μπορούμε να χωρίσουμε το αστικό οριακό στρώμα σε κάποιες υποπεριοχές, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.14 (Bottema, 1997; Britter & Hanna, 2003). [44]

45 Σχήμα 3.14: Το αστικό οριακό στρώμα και το υπόστρωμά του (The urban boundary layer structure) Πηγή: Κουτσουράκης, 2007 Στο μέσο ύψος κτιρίων H εντοπίζεται το υπόστρωμα της οδικής χαράδρας (Urban Canopy Layer). Η άμεση επίδραση των κτιρίων στη διαμόρφωση της ροής του αστικού οριακού στρώματος έχει παρατηρηθεί ότι συνεχίζεται και στο υπόστρωμα τραχύτητας που φτάνει μέχρι κι ένα ύψος 1,5 ως 5 φορές το μέσο ύψος κτιρίων (Rotach, 1999). Πιο πάνω υπάρχει το αδρανειακό υπόστρωμα, όπου ισχύει το λογαριθμικό προφίλ ταχύτητας στην περίπτωση που έχουμε ουδέτερη κατάσταση ευστάθειας ατμόσφαιρας. Συνολικά στο επιφανειακό (ή εσωτερικό) οριακό στρώμα οι παράγοντες που επιδρούν στη ροή σχετίζονται κυρίως με την τραχύτητα και δεν επηρεάζονται άμεσα από το συνολικό πάχος του αστικού οριακού στρώματος δ που είναι μερικές εκατοντάδες μέτρα (Bottema, 1997; Kastner-Klein & Plate, 2004). Με τον τρόπο αυτό διευκολύνεται η μελέτη των οδικών χαραδρών με αριθμητική μοντελοποίηση και με φυσική μοντελοποίηση σε αεροσήραγγα, καθώς δε χρειάζεται η ακριβής γνώση της τιμής του πάχους του οριακού στρώματος, αρκεί να έχουν μοντελοποιηθεί σωστά τα κτίρια και να είναι σωστές οι οριακές συνθήκες. Το τελευταίο απαιτεί τη χρησιμοποίηση αεροσηράγγων με ειδικό εξοπλισμό, ώστε να μπορεί ν αναπαραχθεί σύντομα ένα τυπικό προφίλ αστικού οριακού στρώματος και όσον αφορά στις ταχύτητες και όσον αφορά στις τυρβώδεις τάσεις (Barbosa, Cataldi & Freire, 2002; Shuyang, Nishi et al., 2001). Η χρήση είτε αριθμητικής είτε φυσικής μοντελοποίησης έχει βοηθήσει πολύ στην κατανόηση διαφόρων φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στις οδικές χαράδρες. Η φυσική μοντελοποίηση έχει το πλεονέκτημα του καλύτερου ελέγχου των παραμέτρων που επιδρούν στην ροή και τις συγκεντρώσεις των ρύπων σε σχέση με τις μετρήσεις πεδίου που παρουσιάζουν τυχαίες και απροσδιόριστες διακυμάνσεις των οριακών συνθηκών. Τα πειράματα σε αεροσήραγγα είναι καταλληλότερα για την επικύρωση των αποτελεσμάτων της αριθμητικής μοντελοποίησης καθώς μπορούν να [45]

46 προσδιορίσουν καλύτερα τα χαρακτηριστικά της διασποράς των ρύπων (Schatzmann, Rafailidis & Pavageau, 1997). Οι μοντελοποιήσεις αφορούν κυρίως ουδέτερη κατάσταση ευστάθειας της ατμόσφαιρας χωρίς να λαμβάνουν υπόψη τυχόν ανωστικές δυνάμεις που οφείλονται σε θερμοκρασιακές διαφορές. Αυτό δεν είναι πάντα ακριβές, καθώς η θέρμανση ή όχι του εδάφους από την ύπαρξη ή όχι του ήλιου δημιουργεί καταστάσεις ευστάθειας, όπου ο αέρας έχει περιορισμένες κατακόρυφες μετακινήσεις, ή αστάθειας, όπου ευνοείται ο αερισμός και υπάρχει μεγαλύτερη κατακόρυφη μεταφορά. 3.5 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΡΟΗΣ ΣΕ ΚΑΝΟΝΙΚΗ ΟΔΙΚΗ ΧΑΡΑΔΡΑ Τα κύρια χαρακτηριστικά ροής σε χαράδρα είναι η ταχύτητα του ελεύθερου ανέμου πάνω από τα κτίρια και η γεωμετρία των κτιρίων. Οι πρώτες μελέτες που πραγματοποιήθηκαν το 1970 αφορούσαν πειράματα πεδίου είτε με μετρήσεις σε αεροσήραγγα είτε με αριθμητική προσομοίωση και έδειχναν με σαφήνεια τον σχηματισμό του χαρακτηριστικού βρόχου κυκλοφορίας, όπως παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα, ο οποίος παρατηρείται κυρίως για άνεμο κάθετο με τον άξονα του δρόμου και ταχύτητες μεγαλύτερες από 2 m/s. Σχήμα 3.15: Βρόχος ανακυκλοφορίας για H/W=1 Πηγή: Κουτσουράκης, 2007 Το κέντρο του δεξιόστροφου βρόχου ανακυκλοφορίας είναι περίπου στο γεωμετρικό κέντρο για κανονική χαράδρα με H/W=1 και ελαφρά μετατοπισμένο προς την ελεύθερη ροή για μη κανονική (Σχ. 3.15). Επίσης για λόγους H/W μικρότερους του 1 το κέντρο μεταφέρεται αρχικά προς τα δεξιά. Αν εξακολουθήσει να μικραίνει ο [46]

47 λόγος, ο βρόχος μπορεί να μη φτάνει ως το επόμενο κτίριο, όπως θα δούμε και παρακάτω, οπότε το κέντρο του μεταφέρεται κοντά στο ανάντη της ροής κτίριο. Κοντά στο όριο της χαράδρας παρατηρούμε αριστερά (στο ανάντη κτίριο) θετική κατακόρυφη συνιστώσα της ταχύτητας, που σημαίνει έξοδος αέρα από τη χαράδρα και δεξιά αρνητική (Κουτσουράκης, 2007). Οι ερευνητές DePaul and Sheih στην εργασία τους Measurements of wind velocities in a street canyon παρατήρησαν ότι για ταχύτητες του ανέμου πολύ μικρές, ο στρόβιλος μπορεί να είναι ασταθής ή να μην υπάρχει καθόλου. Από την άλλη μεριά έχουν παρατηρηθεί στρόβιλοι ακόμη και για ταχύτητες μόλις 0,5 m/s όπως αναφέρουν οι Caton, Britter και Dalziel Dispersion mechanisms in a street canyon το Συνεπώς, οι ροές στη φύση δεν είναι εξιδανικευμένες και δεν παρουσιάζουν ευστάθεια. Στις περισσότερες περιπτώσεις στις γωνίες των κτιρίων με τον δρόμο υπάρχουν από ένας μικρός ασταθής αντιπεριστρεφόμενος στρόβιλος (Vardoulakis et al., 2003). Σύμφωνα με τους Nakamura & Oke ( Wind, temperature and stability conditions in an east west oriented urban canyon, 1988) mια τυπική ταχύτητα μέσα στη χαράδρα είναι τα 2/3 της ταχύτητας στις στέγες: U0,06H= 2/3 U1,2H. Για μεγαλύτερους λόγους επιμήκους ο παράγοντας 2/3 αναμένεται να είναι μικρότερος. Πράγματι, για H/W=1,2, η προσομοίωση με LES (Large Eddy Simulation) των Walton and Cheng κατέληξε σ έναν παράγοντα 0,44. Για μικρότερους του 1 λόγους επιμήκους ο παράγοντας 2/3 αναμένεται να είναι μεγαλύτερος. Επίσης, μια ακόμη βασική παράμετρος για τη μελέτη της ροής σε οδική χαράδρα είναι η τιμή της ταχύτητας στη μέση στο επίπεδο των στεγών UH. Χρησιμοποιείται για αδιαστατοποιήσεις, αν και αυτό είναι επικίνδυνο, καθώς εκεί οι κλίσεις της ταχύτητας είναι πολύ μεγάλες και μπορεί να γίνουν λάθη. Ο βρόχος ανακυκλοφορίας παρατηρείται και όταν η γωνία του ανέμου με την οδό δεν είναι 90 ο αλλά μικρότερη, αφού πάλι υπάρχει μια κάθετη στον άξονα του δρόμου συνιστώσα της ταχύτητας, η οποία είναι υπεύθυνη για τον στρόβιλο, οπότε σχηματίζεται για γωνίες περίπου από 30 ο έως 90 ο μοίρες (Vardoulakis, Fisher et.al, 2003). Αν η γωνία είναι πιο μικρή μιλάμε για σχεδόν παράλληλο άνεμο και ο αερισμός της χαράδρας αλλάζει. Έτσι το ενδιαφέρον εστιάζεται σε δισδιάστατες ροές με γωνία ανέμου 90 ο Ροή με Συμμετρικές Οδικές Χαράδρες Συμμετρικές καλούνται οι χαράδρες τα κτίρια των οποίων έχουν ίδιο ύψος. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά μιας οδικής χαράδρας είναι το ύψος (H), το πλάτος (W) και το μήκος (L). Το βασικό χαρακτηριστικό που προσδιορίζει το αναπτυσσόμενο πεδίο ροής είναι ο λόγος επιμήκους r=h/w (Oke, 1987). Δισδιάστατη καλείται μια [47]

48 οδική χαράδρα όταν το μήκος της είναι πολύ μεγαλύτερο από το πλάτος της και ο άνεμος προσπίπτει κάθετα στον άξονα του δρόμου (Σχ.3.16). Αυτή η παραδοχή προσεγγίζει αρκετά την πραγματικότητα καθώς τα κτίρια που βρίσκονται γύρω από κεντρικούς άξονες σε αστικές περιοχές ταιριάζουν με αυτή τη γεωμετρία. Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως κανονική καλείται μια χαράδρα όταν ο λόγος επιμήκους ισούται με την μονάδα (r=h/w=1). Σχήμα 3.16: Γεωμετρικά Χαρακτηριστικά Δισδιάστατης Οδικής Χαράδρας Πηγή: Αγγελίδης, 2010 Από τη διεθνή βιβλιογραφία, οι ερευνητές κάνουν σαφή διαχωρισμό των οδικών χαραδρών σε κατηγορείς με κριτήριο τον λόγο επιμήκους. Πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά κατάταξη των οδικών χαραδρών ανάλογα με τον λόγο επιμήκους από τον T.R. Oke, ο οποίος διαπίστωσε ότι ο λόγος επιμήκους επηρεάζει σημαντικά το ροϊκό πεδίο και τον τρόπο διασποράς των ρύπων (Oke, 1987). Όταν ο λόγος επιμήκους ισούται με r>20 το πεδίο ροής των κτιρίων δεν αλληλεπιδρά καθώς τα κτίρια βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση μεταξύ τους. Όταν ο λόγος επιμήκους λαμβάνει τιμές 5< r <20 το πεδίο ροής γύρω από κάθε κτίριο έχει συμπεριφορά αντίστοιχη με αυτή που έχει το πεδίο ροής γύρω από ένα απομονωμένο κτίριο. Αυτή η περίπτωση είναι γνωστή ως Ροή Μεμονωμένης Τραχύτητας (Isolated Roughness Flow) (Σχ.3.17). Σχήμα 3.17: Ροή Μεμονωμένης Τραχύτητας (Isolated Roughness Flow) Πηγή: Oke, 1988 [48]

49 Όταν η απόσταση μεταξύ των κτιρίων μικραίνει, το τυρβώδες ομόρρους του κάθε κτιρίου διαταράσσει τον προσπίπτοντα άνεμο του επόμενου κτιρίου και αυτή η περίπτωση καλείται Ροή Διαταραχής Ομόρρου (Wake Interface Flow) (Σχ. 3.18). Αυτή η περίπτωση λαμβάνει χώρα όταν ο λόγος επιμήκους λαμβάνει τιμές ίσες με 1.2< r <5 και χαρακτηρίζεται από την αλληλεπίδραση του ομόρρου του πρώτου κτιρίου με τον στρόβιλο του δεύτερου (C. Chang and R. Meroney, 2003). Σχήμα 3.18: Ροή Διαταραχής Ομόρρου (Wake Interface Flow) Πηγή: T.R. Oke, 1988 Η επιπλέον μείωση του λόγου επιμήκους έχει ως συνέπεια τη δημιουργία στροβίλου που καταλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος της οδικής χαράδρας ενώ το κύριο μέρος της ροής δεν υπεισέρχεται στην οδική χαράδρας (Σχ.3.19). Αυτή η περίπτωση αντιπροσωπεύει την πλειοψηφία των αστικών περιοχών και είναι γνωστή ως Ροή Απόξεσης (Skimming Flow) (T.R.Oke, 1988). Σχήμα 3.19: Ροή Απόξεσης (Skimming Flow) Πηγή: T.R. Oke, 1988 Ο διαχωρισμός και οι μεταβάσεις μεταξύ αυτών των περιπτώσεων των τύπων ροής, εξαρτώνται από τις τιμές των λόγων H/W και L/H. Η τιμή του λόγου L/H θεωρείται αμελητέα όταν ο λόγος επιμήκους (r) λαμβάνει μικρές τιμές διότι αυτό σημαίνει ότι τα κτίρια είναι πολύ κοντά και συνεπώς δεν επηρεάζεται το ροϊκό πεδίο [49]

50 από τρισδιάστατα φαινόμενα. Το Σχήμα 3.20 παρουσιάζει γραφικά τις αλληλεξαρτήσεις των λόγων H/W και L/H. Σχήμα 3.20:Διαχωρισμός του είδους του πεδίου ροής ανάλογα με τον λόγο επιμήκους Πηγή: T.R.Oke, 1988, Αγγελίδης, 2010 Μια μελέτη πραγματοποίησε αριθμητικούς υπολογισμούς και πειράματα προσομοίωσης του πεδίου ροής σε οδικές χαράδρες με το λόγο επιμήκους να λαμβάνει τιμές από 0.5 έως 6 και τα αποτελέσματα της έρευνας έρχονται σε συμφωνία με τις διαπιστώσεις του Oke (C. Chang and R. Meroney, 2003) (Σχ.3.21). Τις παρατηρήσεις του Oke επαλήθευσαν και οι Yamartion και Wiegand οι οποίοι πραγματοποίησαν μετρήσεις σε πραγματική κλίμακα και συγκεκριμένα στο δρόμο Rheinlan Bonner - Cologne χρησιμοποιώντας τα μοντέλα STREET και CPBM. Η κάθετη, ως προς τον άξονα του δρόμου, κίνηση του ανέμου δημιουργεί την ανάπτυξη στροβίλων ενώ η παράλληλη στον άξονα κίνηση του ανέμου δημιουργεί την ελικοειδή κίνηση. Σε ίδιο συμπέρασμα κατέληξε και μια ακόμη έρευνα, αυτή των Santamouris και Papanikolaou, η οποία περιελάμβανε μετρήσεις σε πραγματική κλίμακα σε περιοχή της Αθήνας για την καταγραφή της σπειροειδούς κίνησης του ανέμου όταν η ροή σχηματίζει γωνία ως τον άξονα του δρόμου (Santamouris and Papanikolaou, 1999). α) Ροή Μεμονωμένης Τραχύτητας W/H=6 β) Ροή Διαταραχής Ομόρου W/H=4 [50]

51 γ) Ροή Απόξεσης W/H=1 Σχήμα 3.21 (α, β & γ): Οπτικοποίηση του πεδίου ροής για τις διάφορες τιμές του λόγου επιμήκους r Πηγή: C. Chang and R. Meroney, 2003 Η προσομοίωση του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος σε αεροσήραγγες είναι μια κοινή τεχνική που ακολουθούν πολλοί ερευνητές με στόχο τη μελέτη και διερεύνηση του ροϊκού πεδίου που αναπτύσσεται σε αστικές περιοχές καθώς και τα μοντέλα διασποράς των ρύπων. Αρκετές όμως προσομοιώσεις και μετρήσεις έχουν πραγματοποιηθεί με τη βοήθεια της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής με πειραματικές μετρήσεις προσομοιώσεων δισδιάστατων οδικών χαραδρών. Η έρευνα του Brown σε συνεργασία με άλλους ερευνητές πραγματοποίησαν προσομοίωση ροής σε επαναλαμβανόμενα μοτίβα οδικών χαραδρών με λόγο επιμήκους r=1 (Brown et al., 2000). Στο πείραμα χρησιμοποίησαν ανεμόμετρο θερμού νήματος (hot wire) με αισθητήρα ακτίνων X για τις μετρήσεις και ανεμόμετρο παλμικού νήματος για τις περιοχές ανακυκλοφορίας. Τα κτίρια προσομοιάστηκαν με ράβδους τετραγωνικού σχήματος που αντιπροσώπευαν κτίρια ύψους περίπου 40 μέτρων με κλίμακα μοντέλου 1:250 και με μετρήσεις σε τρεις διαστάσεις. Τα συμπεράσματα που εξήγαγαν έρχονταν σε συμφωνία με αυτά της μελέτης του Meroney και άλλων ερευνητών, με κοινή διαπίστωση ότι παρουσιάζεται φαινόμενο αποκόλλησης ροής μόνο στο πρώτο κτίριο (Meroney, 1996). Στη συνέχεια, βάσει της διεθνούς βιβλιογραφίας, λίγα χρόνια αργότερα το 2002 πραγματοποιήθηκε μια μελέτη με πειραματικές μετρήσεις σε απομονωμένη δισδιάστατη κανονική οδική χαράδρα με την καινοτομία της εισαγωγής της επίδρασης της ηλιακής ακτινοβολίας (Kovar-Panskus, 2002). Μελετήθηκαν σενάρια θέρμανσης της προσήνεμης πλευράς της οδικής χαράδρας με διαπίστωση ότι η αύξηση της τιμής του αριθμού Fr συνεπάγεται αύξηση της παραγωγής τυρβώδους κινητικής ενέργειας λόγω της κλίσης θερμότητας από τα κτίρια. Μια ακόμη σημαντική μελέτη είναι αυτή των Rafailidis και Schatzmann όπου πραγματοποιήθηκαν μελέτες πειραματικές μετρήσεις σε δισδιάστατες οδικές χαράδρες με λόγο επιμήκους r=1 και r=1/2 σε αεροδυναμική σήραγγα στο [51]

52 Πανεπιστήμιου του Αμβούργου με προσομοίωση ρύπων από οχήματα με σύστημα έκλυσης αδρανούς ρύπου (Rafailidis and Schatzmann, 1995). Διερευνήθηκε η διασπορά ρύπων εκατέρωθεν των κτιρίων της οδική χαράδρας. Η οδική χαράδρα που μελετήθηκε ήταν κανονική καθώς η πλειοψηφία των ευρωπαϊκών πόλεων παρουσιάζει λόγο επιμήκους στις οδικές χαράδρες ίσο με 1. Στην περίπτωση των κανονικών και συμμετρικών οδικών χαραδρών επέρχεται ανεξαρτησία Re και το φαινόμενο της αποκόλλησης εμφανίζεται μόνο στο πρώτο κτίριο και η τύρβη παρουσιάζεται εντονότερη στην προσήνεμη πλευρά του. Καθώς η ροή προσπερνά το πρώτο κτίριο υπάρχει σημαντική μείωση του φαινομένου της τύρβης. Στην περίπτωση όμως που ο λόγος επιμήκους δεν λαμβάνει την τιμή 1, το ροϊκό πεδίο εντός της οδικής χαράδρας διαφοροποιείται με όσα αναφέρθηκαν προηγουμένως. Η μελέτη των Baik και Kim η οποία περιελάμβανε δισδιάστατες αριθμητικές προβλέψεις χρησιμοποιώντας το μοντέλο τύρβης k-ε σε περιοχή του λόγου επιμήκους όπου αναπτύσσεται ροή απόξεσης και διαπιστώθηκε η δημιουργία μιας κύριας ανακυκλοφορίας για r= , δύο σχηματισμών ανακυκλοφορίας για r= και τριών σχηματισμών ανακυκλοφορίας για μικρότερες τιμές (Σχ. 3.22) (Baik and Kim, 1998). α) W/H= 1 β) W/H= 0.67 γ) W/H= 0.5 Σχήμα 3.22 (α, β & γ): Γραμμές Ροής του Ροϊκού Πεδίου για διάφορες τιμές του λόγου επιμήκους Πηγή: Baik et al., 1999 Σε κάθε οδική χαράδρα οι ανακυκλοφορίες που σχηματίζονται διαδοχικά έχουν αντίθετη φορά περιστροφής και η σταδιακή μείωση του λόγου επιμήκους από την τιμή 1 έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του μεγέθους της ανώτερης ανακυκλοφορίας ενώ παρατηρείται μετατόπιση του κέντρου της δίνης της ανακυκλοφορίας προς προσήνεμη μεριά της οδικής χαράδρας. Όταν η διεύθυνση του πνέοντος ανέμου είναι κάθετη με το επίπεδο του δρόμου στην οδική χαράδρα θεωρείται η χειρότερη περίπτωση παγίδευσης ρυπαντών. Στην υπήνεμη πλευρά της [52]

53 οδικής χαράδρας εμφανίζονται υψηλότερα ποσοστά συγκέντρωσης ρύπων ενώ στην προσήνεμη πλευρά οι συγκεντρώσεις των ρύπων χαρακτηρίζονται ιδιαίτερα χαμηλές και σχεδόν ίσες με το 1/3 των επιπέδων των ρύπων της υπήνεμης πλευράς. Δεν έχουν πραγματοποιηθεί αρκετές μελέτες στις οποίες μελετάται η διασπορά και διάχυση των ρύπων σε οδική χαράδρα όπου ο λόγος επιμήκους είναι r Ροή σε Ασύμμετρες Οδικές Χαράδρες Οι μελέτες και έρευνες που έχουν πραγματοποιηθεί με αντικείμενο τη διερεύνηση του πεδίου ροής σε ασύμμετρες οδικές χαράδρες είναι περιορισμένες καθώς υπάρχουν άπειροι συνδυασμοί μη συμμετρικών οδικών χαραδρών και τιμών του λόγου επιμήκους. Αρχικά, οι ασύμμετρες οδικές χαράδρες κατατάσσονται σε δύο κατηγορίες: Χαράδρες αυξανόμενης βαθμίδας (step-up) όπου το κτίριο κατάντη της ροής είναι πιο ψηλό Χαράδρες μειούμενης βαθμίδας (step-down) όπου το κτίριο κατάντη της ροής είναι πιο χαμηλό (Αγγελίδης, 2010). Έχει διερευνηθεί αριθμητικά ότι η ροή σε μη συμμετρικές χαράδρες έχει συνήθως μεγαλύτερο αερισμό, ιδίως στην περίπτωση αύξησης αναβαθμού, όπου, επίσης παρατηρείται ισχυρότερος στρόβιλος (Eskridge et al., 1986). Επίσης, στις ασύμμετρες χαράδρες η μορφή της ροής μεταβάλλεται σε σχέση με τη συμμετρική χαράδρα, ιδίως στην περίπτωση μείωσης αναβαθμού (step-down) (Assimakopoulos et al., 2003), όπως απεικονίζεται στο Σχήμα Σχήμα 3.23: Σύγκριση ροής συμμετρικών και ασύμμετρων οδικών χαραδρών. (α) Συμμετρική χαράδρα (β) Αύξηση αναβαθμού (γ) Μείωση αναβαθμού. Πηγή: Κουτσουράκης, 2007 [53]

54 Ο Huang σε συνεργασία με άλλους ερευνητές πραγματοποίησε μελέτη με αντικείμενο τη διερεύνηση του πεδίου ροής σε μη συμμετρικές οδικές χαράδρες και τις κατηγοριοποίησαν σύμφωνα με τις τιμές που παίρνει ο λόγος βαθμίδας ρ=η 2 /Η 1 (Huang Z. W., 2002). Όταν ο λόγος βαθμίδας έχει τιμή ρ 1 διαφοροποιείται πλήρως το ροϊκό πεδίο όπως και η διασπορά των ρύπων. Όταν ο λόγος βαθμίδας ισούται με ρ=1.5 δημιουργείται μια κύρια ανακυκλοφορία και μια δευτερεύουσα ζώνη ανακυκλοφορίας στο επάνω μέρος του πρώτου κτιρίου που προσκρούει η ροή (Σχ.3.24) και η ίδια συμπεριφορά της ροής εμφανίζεται όταν ρ=1. Σχήμα 3.24: Γραμμές Ροής σε Χαράδρα Αυξανόμενης Βαθμίδας (Step-up) Πηγή: Xie et al.,2005 Ο Huang όπως και ο Xie στις μελέτες τους διαπίστωσαν ότι όταν ο λόγος βαθμίδας ισούται με ρ=0.67 επέρχεται δραστική αλλαγή στο πεδίο ροής (Xie, 2005). Όταν ρ<0.67, σύμφωνα με τον Huang, δημιουργούνται δύο σχηματισμοί αντίρροπων ανακυκλοφοριών η μία εκ των οποίων σχηματίζεται εκτός της οδικής χαράδρας, συμπέρασμα στο οποίο κατέληξε και ο Xie σε αντίστοιχη μελέτη του (Σχ.3.25). Σχήμα 3.25: Γραμμές Ροής σε Χαράδρα Μειούμενης Βαθμίδας (Step-down) Πηγή: Xie et al., 2005 Σε σχέση με τις κανονικές και συμμετρικές χαράδρες, στις ασύμμετρες παρατηρείται μετακίνηση της ανακυκλοφορίας προς τα άνω και εξασθένηση του εξαερισμού της χαράδρας με αποτέλεσμα τη συσσώρευση ρύπων στην προσήνεμη πλευρά του δρόμου. Στην κατηγορία των μη συμμετρικών χαραδρών ανήκουν και εκείνες τα κτίρια των οποίων δεν διαθέτουν επίπεδες οροφές. Είναι περιορισμένος ο αριθμός των μελετών που ασχολούνται με τη ροή σε οδική χαράδρα με κεκλιμένες οροφές κτιρίων [54]

55 αλλά παρουσιάζουν έντονο ενδιαφέρον. Οι Rafailidis και Schatzmann ασχολήθηκαν με τη διερεύνηση του πεδίου ροής και τη διασπορά των ρύπων σε συμμετρική οδική χαράδρα με κλίση των οροφών των κτιρίων κατά 45 ο (Rafailidis and Schatzmann, 1995). Από τη διεθνή βιβλιογραφία προκύπτουν διάφορα συμπεράσματα από τη διερεύνηση της ροής και διασποράς των ρύπων σε κτίρια με πλάγιες οροφές και λόγο επιμήκους r=1. Εντοπίστηκαν υψηλότερα επίπεδα ρύπων στην προσήνεμη πλευρά της οδικής χαράδρας και δύο σχηματισμοί αντίρροπων ανακυκλοφοριών (Αγγελίδης, 2010). Πραγματοποιήθηκε μελέτη αριθμητικών προλέξεων σε διάφορες γεωμετρίες κτιρίων με επίπεδες και κεκλιμένες οροφές (Xie, 2005). Οι συγκεντρώσεις των ρύπων αυξάνονται καθώς πλησιάζουν το επίπεδο του δρόμου τόσο στην προσήνεμη όσο και στην υπήνεμη πλευρά της οδικής χαράδρας. Παρακάτω παρουσιάζονται απεικονίσεις του ροϊκού πεδίου για τις διάφορες γεωμετρίες που εξετάσθηκαν (Σχ.3.26). Σχήμα 3.26: Γραμμές Ροής για διάφορες γεωμετρίες περιπτώσεις κτιρίων με κεκλιμένες οροφές Πηγή: Xie et al., 2005 Το πεδίο ροής διαφοροποιείται ανάλογα με τη γεωμετρία. Παρατηρείται ότι στην πρώτη περίπτωση (a) οι συγκεντρώσεις στην προσήνεμη πλευρά μειώνονται σχεδόν στο μισό σε σχέση με τη δεύτερη περίπτωση (b) όπου το δεύτερο κτίριο έχει επίπεδη οροφή. Στην τρίτη περίπτωση (c) μεγάλα ποσοστά ρύπων εγκλωβίζονται μέσα στην οδική χαράδρα όπως και στην τέταρτη περίπτωση (d). Στις δύο τελευταίες περιπτώσεις (e) και (f) καθώς και στην πρώτη, η κύρια ανακυκλοφορία παρασέρνει τους ρύπους πάνω από το επίπεδο του δρόμου και συνεπώς χαρακτηρίζονται ως τα καλύτερα σενάρια απορρύπανσης και εξαερισμού της οδικής χαράδρας. [55]

56 3.5.3 Κατάταξη ροών βάση λόγου H/W Οι ροές ελεύθερης ροής πάνω από 1,5 m/s που σχηματίζουν ανακυκλοφορία κατατάσσονται σε τρεις κατηγορίες ανάλογα με την απόσταση W των εκατέρωθεν κτιρίων (T.R.Oke, 1988) και παρουσιάζονται στο Σχήμα 3.27: 1. Απομονωμένων στοιχείων τραχύτητας 2. Αλληλεπίδρασης ομόρων 3. Απόξεσης Σχήμα 3.27: Είδη ροών ανάλογα με τον λόγο επιμήκους Πηγή: Κουτσουράκης, 2007 Η 3 η κατηγορία είναι αυτή που σχολιάστηκε λίγο παραπάνω με το χαρακτηριστικό βρόχο ανακυκλοφορίας. Η 2 η κατηγορία αφορά την περίπτωση όπου τα κτίρια απομακρύνονται λίγο και συνεπώς η μεταξύ τους απόσταση μεγαλώνει και ο βρόχος που οφείλεται στο ομόρους του πρώτου κτιρίου δε φτάνει μέχρι τον δεύτερο και αλληλεπιδρά με τη ροή που διαμορφώνεται μπροστά από αυτό. Τέλος, η 1 η κατηγορία αναφέρεται σε κτίρια που έχουν απομακρυνθεί αρκετά μεταξύ τους και το καθένα έχει το δικό του διαμορφωμένο όμορο. Η μετάβαση από τη ροή (γ) στη (β) δεν επηρεάζεται πολύ από τρισδιάστατα φαινόμενα και συμβαίνει περίπου για λόγο H/W=0,7 (T.R.Oke, 1988). Αντίθετα από (β) σε (α) ο λόγος μετάβασης μικραίνει όσο μεγαλώνει το μήκος του φαραγγιού (Sini et al., 1996). Βάσει αριθμητικής προσομοίωσης των Sini et al., για άπειρο μήκος (δισδιάστατη περίπτωση) η μετάβαση από τύπου (β) σε (α) γίνεται για λόγο μικρότερο του H/W=0,2. [56]

57 Οι ροές απόξεσης (skimming flows) μπορούν να καταταχθούν περαιτέρω. Για λόγους H/W μεγαλύτερους του 1,3 τα πειράματα και οι αριθμητικές μελέτες έχουν δείξει ότι το κέντρο του βρόχου ανακυκλοφορίας μεταφέρεται προς τα πάνω, ενώ κοντά στο επίπεδο του δρόμου ο αέρας είναι σχεδόν σταθερός (Vardoulakis et al., 2003) με πολύ χαμηλές ταχύτητες, παρέχοντας καλύτερη προστασία στους ανθρώπους, αλλά οξύνοντας τα προβλήματα ρύπανσης. Γενικά για βαθιές χαράδρες κοντά στο επίπεδο του δρόμου η συμπεριφορά είναι ασταθής και τα φαινόμενα είναι δύσκολα προσδιορίσιμα. Έχει επανειλημμένα παρατηρηθεί από αρκετούς μελετητές ότι για λόγους H/W>2, μπορεί να σχηματιστεί δεύτερος ασθενής αντιπεριστρεφόμενος βρόχος στο βάθος της χαράδρας. Ακόμη και οι DePaul and Sheih στη μελέτη τους Turbulent diffusion behind vehicles: experimentally determined turbulence mixing parameters το 1986, αναφέρουν παρατήρηση δεύτερου βρόχου για υψηλές ταχύτητες ελεύθερου ανέμου, παρόλο που ο λόγος H/W σ αυτούς ήταν μόλις 1,4. Υπάρχει επίσης περίπτωση να μην παρατηρηθεί σαφής δεύτερος βρόχος (Longley,Gallagher et al., 2004). Για ακόμη πιο ψηλά κτίρια όπου H/W>3 έχουν παρατηρηθεί τρεις βρόχοι, όπου ο τρίτος είναι ακόμη πιο μικρός, ασθενής και ασαφής από τον δεύτερο (Jeong et al., 2002; Ca,Asaedam et al., 1995). Αυτή η αλυσίδα βρόχων προκαλεί πολύ χαμηλές ταχύτητες κοντά στο επίπεδο του δρόμου, χαμηλή ένταση τύρβης και μειωμένη συναγωγή (Sini et al., 1996). Μια εικόνα για τον μηχανισμό με τον οποίο δημιουργείται η αλυσίδα βρόχων μπορούμε να πάρουμε από το Σχήμα Αρχίζοντας από λόγο H/W=1 παρατηρούμε ότι υπάρχουν δύο μικροί βρόχοι στις γωνίες των κτιρίων, κάτω δεξιά και κάτω αριστερά από τον κύριο βρόχο. Αυτοί, όσο βαθαίνει το κανάλι, μεγαλώνουν, μέχρι που να ενωθούν και να φτιάξουν τον δεύτερο βρόχο για περίπου H/W=2. Περαιτέρω βάθυνση προκαλεί πάλι την ανάπτυξη των δύο γωνιακών βρόχων, που τελικά ενώνονται και φτιάχνουν τον τρίτο βρόχο για περίπου H/W=3. Περισσότεροι βρόχοι δεν έχουν αναφερθεί και δεν έχουν πρακτική σημασία. Άλλωστε οι βρόχοι στο κάτω μέρος της χαράδρας είναι τόσο ασταθείς και οι ταχύτητες τόσο μικρές, που στην πράξη ισοδυναμούν με λιμνάζουσα ροή. Στο παρακάτω σχήμα, που έχει βασιστεί σε αριθμητική μελέτη των Jeong and Andrews, φαίνονται τα διάφορα είδη ροών απόξεσης ανάλογα με τον αριθμό των βρόχων και η μετάβαση από το ένα είδος στο άλλο. [57]

58 Σχήμα 3.28: Γραμμές ροής για διάφορους λόγους H/W Πηγή: Κουτσουράκης, ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΡΥΠΩΝ ΣΤΗΝ ΟΔΙΚΗ ΧΑΡΑΔΡΑ Κίνηση των Ρευστών Τρόποι που ρέουν τα Ρευστά Οι ροές που συναντάμε στη φύση αφορούν ρευστά που δεν είναι «ιδανικά», αλλά έχουν ιξώδες. Οι ροές που αφορούν αυτά τα ρευστά, ονομάζονται «ιξώδεις» ροές. Σε αυτές τις ροές ισχύουν τα παρακάτω: Οι ιξώδεις ροές είναι στρωτές στις περιπτώσεις όπου το ρευστό εξαναγκάζεται και ρέει ως μία σειρά από στρώματα που κινούνται το ένα πάνω στο άλλο. Οι ιξώδεις ροές είναι τυρβώδεις στις περιπτώσεις όπου η ροή σε ένα σημείο του πεδίου ρέει προς μία κατεύθυνση μεν, αλλά αυτή η μέση ταχύτητα έχει και ένα επιπρόσθετο τμήμα, φαινομενικά τυχαίας ταλάντωσης (στην εναλλαγή κατεύθυνσης). Όταν το ρευστό ρέει παράλληλα γύρω από το έμπροσθεν τμήμα ενός αντικειμένου αλλά στο όπισθεν τμήμα το ρευστό στροβιλίζεται [58]

59 δημιουργώντας δίνες τότε η ροή δεν μένει παράλληλη αλλά αποκολλάται από την επιφάνεια. Όταν ένα ρευστό ρέει γύρω από ένα στερεό σώμα, η ροή επιβραδύνεται και αυτό συμβαίνει διότι τα ρευστά είναι παχύρευστα και κολλώδη. Η περιοχή - του ρευστού- εφαπτομενικά γύρω από το σώμα, η οποία επιβραδύνεται, ονομάζεται οριακό στρώμα. Μέσα στο οριακό στρώμα, η ταχύτητα του ρευστού αλλάζει με την απόσταση από τη στερεή επιφάνεια και έτσι η κίνηση των ρευστών προκαλεί την περιστροφή των αντικειμένων. Εκτός της περιοχής του οριακού στρώματος αυτό δεν συμβαίνει. Όταν το ρευστό απομακρυνθεί από το στερεό, η επίδραση της στερεής επιφάνειας είναι ακόμη εμφανής και αυτή η περιοχή ονομάζεται «απόρευμα» (wake) (Κεφάλας, 2012). Όλες οι παραπάνω ιδιότητες εντοπίζονται σε προβλήματα βιομηχανικών ροών και οι τεχνικές μοντελοποίησης πρέπει να μπορούν να τις αναπαράγουν αν αυτές υφίστανται στην πραγματικότητα. Είναι απαραίτητο να περιγραφεί η κίνηση του ρευστού με μαθηματικούς όρους καθώς ο υπολογιστής αναγνωρίζει και επιλύει μόνο μαθηματικές πράξεις. Αν προκύψει λύση στο μαθηματικό πρόβλημα, μπορεί να προσδιοριστεί μία πρόβλεψη της φυσικής ροής Ιδιότητες των Ρευστών Υπάρχουν πολλοί τρόποι περιγραφής της ροής των ρευστών απαιτείται όμως μια μέθοδος πλήρους καταγραφής της κίνησής τους. Ο προφανής τρόπος είναι να περιγραφεί η ταχύτητα του ρευστού σε όλα τα σημεία του χώρου και χρόνου και για τον καθορισμό της απαιτείται τόσο μέτρο όσο και κατεύθυνση διότι η ταχύτητα είναι διανυσματικό μέγεθος. Ένας τρόπος καθορισμού του διανύσματος της ταχύτητας είναι να καθοριστούν οι συνιστώσες του σε ένα καρτεσιανό σύστημα συντεταγμένων. Αυτή όμως η περιγραφή του πεδίου ταχυτήτων δεν περιέχει αρκετές πληροφορίες για την περιγραφή της κατάστασης του ρευστού πλήρως, καθώς απαιτείται η γνώση και άλλων ιδιοτήτων μαζί με την ταχύτητα. Είναι γνωστό ότι τα ρευστά ασκούν δύναμη στα στερεά. Το ρευστό εξασκεί πίεση στην επιφάνεια ενός σώματος και με το άθροισμα όλων των πιέσεων σε μικρά τμήματα της επιφάνειας του αντικειμένου, προκύπτει η συνολική δύναμη. Πίεση (ή ένταση) είναι η κάθετη δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας και εμφανίζεται τόσο όταν το ρευστό κινείται όσο και όταν είναι στάσιμο. Για παράδειγμα, το πλοίο επιπλέει στο νερό αφού το υγρό εξασκεί πάνω του άνωση ανεξάρτητα από την ταχύτητά του, ενώ σε ένα συμβατικό αεροσκάφος πρέπει να έχει κάποια ταχύτητα ώστε ο αέρας να εξασκεί στις πτέρυγες άντωση. [59]

60 Εκτός από την πίεση, λόγω του ρευστού υπάρχει και μία τάση η οποία είναι εφαπτόμενη στην επιφάνεια του στερεού. Αυτή η τάση αναπτύσσεται διότι η κύρια μάζα του ρευστού και το στερεό σώμα κινούνται με σχετική ταχύτητα μεταξύ τους με αποτέλεσμα τη «διάτμηση» του ρευστού. Τα ρευστά ανθίστανται σε αυτή τη διάτμηση έτσι ώστε μια «διατμητική» τάση να αναπτύσσεται σε διεύθυνση παράλληλη με αυτή της σχετικής κίνησης του ρευστού ως προς το στερεό. Αυτό συνιστά μια πηγή οπισθέλκουσας στην επιφάνεια η οποία είναι ανάλογη του ιξώδους του ρευστού. Αν το ιξώδες του ρευστού είναι τόσο μικρό ώστε να μπορεί να αγνοηθεί, η ροή θεωρείται άτριβη (inviscid). Αυτό δεν συμβαίνει ποτέ στην πραγματικότητα, αλλά είναι μια καλή προσέγγιση για απλοποίηση κάποιων υπολογισμών, καθώς στην πραγματικότητα οι ροές είναι πάντα ιξώδεις (viscous). Μια ακόμη κύρια ιδιότητα ενός ρευστού είναι η πυκνότητα που ισούται με τη μάζα του ρευστού στη μονάδα του όγκου. Στις περιπτώσεις που η πυκνότητα είναι σταθερή, λέμε ότι η ροή είναι ασυμπίεστη. Αντίθετα για ροές ρευστού υψηλής ταχύτητας κοντά σε αυτή του ήχου, τα φαινόμενα συμπιεστότητας δεν μπορούν να παραλειφθούν. Συνοψίζοντας, τα σημαντικά μεγέθη που μαζί με την ταχύτητα μπορούν να περιγράψουν πλήρως τη ροή των ρευστών είναι: Πίεση Ιξώδες Πυκνότητα Για να υπολογιστούν τα ανωτέρω μεγέθη, πρέπει να οριστούν οι μαθηματικές εξισώσεις που καθορίζουν τη σχέση μεταξύ τους. Η ανάπτυξη αυτών των εξισώσεων αναλύεται παρακάτω Εξισώσεις για την Περιγραφή της Κίνησης των Ρευστών Ένα πρόγραμμα υπολογιστικής ρευστομηχανικής στοχεύει στην πρόβλεψη του τρόπου με τον οποίο ρέει ένα ρευστό σε μια δεδομένη κατάσταση παρέχοντας αριθμητικά αποτελέσματα στις λύσεις των εξισώσεων που διέπουν την κίνηση του ρευστού (governing equations). Είναι απαραίτητη η γνώση των ιδιοτήτων του ρευστού οι οποίες θα πρέπει να μοντελοποιηθούν καθώς και οι εξισώσεις που καθορίζουν την κίνηση του ρευστού. Παρακάτω, θα παρουσιαστεί μια σύντομη ανάλυση των εξισώσεων κίνησης των ρευστών (ή «κυβερνησών εξισώσεωνgoverning equations) και της φιλοσοφίας που τις καθορίζει. Για την παραγωγή όμως αυτών των εξισώσεων, είναι απαραίτητη η θεώρηση της αρχής διατήρησης της μάζας και της ορμής ως δεδομένης. Με την παραγωγή των εξισώσεων κίνησης, ακολουθεί η παραγωγή αριθμητικού ανάλογου (των διαφορικών εξισώσεων) και η παραγωγή [60]

61 αριθμητικής πρόβλεψης (επίλυσης) της ροής, τα οποία όμως δημιουργούν προβλήματα στην προσπάθεια παραγωγής αριθμητικής επίλυσης των αναλυτικών εξισώσεων. Τα προβλήματα αυτά έγκεινται στη φυσική της ροής και της τύρβης η οποία ακολουθεί τυχαία πορεία σε κάθε σημείο της ροής και πώς μπορεί να πραγματοποιηθεί η μοντελοποίηση της. Στο επόμενο κεφάλαιο, με την βοήθεια της υπάρχουσας βιβλιογραφίας και των μελετών που έχουν πραγματοποιηθεί σχετικά με τις εξισώσεις κίνησης των ρευστών, θα παρουσιαστεί εν συντομία η ανάπτυξη των εξισώσεων κίνησης και η προσπάθεια μοντελοποίησης της τύρβης. [61]

62 [62]

63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΚΙΝΗΣΗΣ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ- GOVERNING EQUATIONS 4.1 ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ- ΠΩΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΙ Κατά τη ροή των ρευστών εντοπίζεται κίνηση και στις τρεις διευθύνσεις. Λόγω όμως των τριών διαστάσεων και της πολυπλοκότητας που δημιουργείται, πολλές φορές η ροή θεωρείται δισδιάστατη μειώνοντας με αυτόν τον τρόπο τις παραμέτρους που πρέπει να ληφθούν υπ όψιν. Για τον εξής λόγο, η ανάλυση που ακολουθεί αφορά ροή ρευστών σε δύο διαστάσεις. Η περιγραφή των ροών στις τρείς διαστάσεις είναι μια προέκταση της διαδικασίας που πραγματοποιείται για την παραγωγή των μαθηματικών εξισώσεων που θα παρουσιαστούν παρακάτω. Για την ανάπτυξη των εξισώσεων κίνησης μίας ροής, θεωρούμε αρχικά ένα ελάχιστο τμήμα ρευστού (Σχ. 4.1α). Πιο ειδικά, ένα στρώμα ρευστού ΑΒΓΔ, δισδιάστατο και σχήματος παραλληλόγραμμου, έχει ταχύτητα η οποία αναλύεται στις συνιστώσες u και v στις διευθύνσεις x και y αντίστοιχα σε καρτεσιανό σύστημα συντεταγμένων. Σχήμα 4.1α: Γεωμετρία και ταχύτητες Πηγή: Κεφάλας, 2012, Ιδία επεξεργασία Στη συνέχεια, στο Σχήμα 4.1β απεικονίζονται οι δυνάμεις που επιδρούν στο στρώμα ρευστού στην οριζόντια διεύθυνση και οι οποίες προκαλούνται από την κάθετη τάση (normal stress) σ και τη διατμητική τάση τ. Θεωρείται ότι η ταχύτητα και οι δύο τάσεις έχουν γραμμική διακύμανση κατά μήκος του στρώματος ρευστού, ενώ η τιμή τους είναι σταθερή κατά μήκος δοθείσας ακμής ή επιφάνειας στο στρώμα (Κεφάλας, 2012). [63]

64 Σχήμα 4.1β: Δυνάμεις κατά τη διεύθυνση x Πηγή: Κεφάλας, 2012, Ιδία επεξεργασία Στην ασυμπίεστη ροή δεν μπορεί να συσσωρευτεί ρευστό στο στρώμα διότι το ρευστό δεν μπορεί να συμπιεστεί αφού η πυκνότητά του θεωρείται σταθερή. Γι αυτό το λόγο η συνολική μάζα που ρέει μέσα στο στρώμα είναι μηδέν. Κατά μήκος της επιφάνειας, η μάζα του ρευστού που ρέει στο στρώμα ισούται με το γινόμενο της πυκνότητάς του επί το εμβαδόν της συνιστώσας επί τη συνιστώσα της ταχύτητας που είναι κάθετη στην επιφάνεια. Το άθροισμά των μαζών που ρέουν στις ακμές του στρώματος ΑΒ, ΒΓ, ΓΔ και ΔΑ είναι η συνολική ροή μάζας και ισούται με το μηδέν. Θεωρείται ότι η ροή μάζας καθώς εξέρχεται από το στρώμα έχει θετικό πρόσημο και προκύπτει η εξίσωση: -ν δx + = 0 (4.1) η οποία μπορεί να αναδιαταχθεί και να προκύψει η εξίσωση ή αλλιώς =0 (4.2) Η εξίσωση αυτή είναι η εξίσωση συνέχειας της μάζας και είναι συνάρτηση μόνο των συνιστωσών της ταχύτητας για ασυμπίεστη ροή. Αν η ροή ήταν συμπιεστή θα έπρεπε να ληφθεί υπ όψιν ότι η πυκνότητα μεταβάλλεται και να τροποποιηθεί μερικώς η εξίσωση. Εφαρμόζοντας το Δεύτερο Νόμο Κίνησης του Νεύτωνα για να βρούμε τη σχέση μεταξύ των δυνάμεων στο στρώμα ρευστού και την επιτάχυνσή του προκύπτει ένα δεύτερο σύστημα εξισώσεων. Αρχικά, πρέπει να καθοριστεί μια σχέση για την επιτάχυνση του ρευστού, η οποία λαμβάνει υπόψη το γεγονός ότι οι συνιστώσες της [64]

65 ταχύτητας διακυμαίνονται τόσο στο χώρο όσο και στο χρόνο. Για να επιτευχθεί αυτό πρέπει να καθοριστεί ποια θα είναι η συνολική μεταβολή των συνιστωσών ταχύτητας u και v λόγω της μεταβολής τους με κάθε μία από τις «χωρικές» μεταβλητές x, y και το χρόνο t. Από τις μεταβολές της συνιστώσας u, που προκύπτουν με την εφαρμογή του νόμου chain rule για τα μερικά παράγωγα, στην εξίσωση 4.2 προκύπτει η εξίσωση: δu= (4.3) από την οποία όταν διαιρεθεί με δt προκύπτει: = (4.4) όπου δx/δt η συνιστώσα u της ταχύτητας και δy/δt η συνιστώσα ν της ταχύτητας άρα η εξίσωση γίνεται: (4.5) η οποία σχέση εκφράζει τη συνολική επιτάχυνση του ρευστού στον άξονα x- ή αλλιώς το θεμελιώδες παράγωγο της συνιστώσας ταχύτητας u. Το πρώτο μέρος συνίσταται από δύο όρους που περιγράφουν την αλλαγή της συνιστώσας u λόγω του γεγονότος ότι το ρευστό μεταφέρεται (ή μετάγεται) με τη ροή. Το δεύτερο μέρος περιγράφει τη χρονική μεταβολή της συνιστώσας ταχύτητας u. Ο Δεύτερος Νόμος του Νεύτωνα περιγράφει τη συνολική δύναμη που εξασκείται στο ρευστό στον άξονα x- και ισούται με τη συνολική επιτάχυνση πολλαπλασιαζόμενη με τη μάζα του ρευστού στο στρώμα ροής. Το σύνολο των δυνάμεων που ασκούνται λόγω των κάθετων τάσεων και των διατμητικών τάσεων στις τέσσερις ακμές της επιφάνειας είναι η δύναμη που ασκείται στο στρώμα ρευστού στον άξονα x-. Ο συνδυασμός αυτών των δυνάμεων παράγει την εξής σχέση: (4.6) Οι σχέσεις που συσχετίζουν την κάθετη τάση σ με τη βαθμίδα πίεσης, την ταχύτητα και το ιξώδες, καθώς και τις διατμητικές τάσεις τ με το ιξώδες και τη μεταβολή ταχύτητας, παρουσιάζονται παρακάτω: σ= + 2μ (4.7) και τ= μ (4.8) [65]

66 Οι σχέσεις της κάθετης πίεσης σ και των διατμητικών τάσεων τ με τη σχέση 4.6 προκύπτουν οι εξισώσεις: για τον άξονα x- (4.9) για τον άξονα y- (4.10) όπου μ το ιξώδες του ρευστού και ρ η πυκνότητα. Στην παρούσα ανάλυση αγνοήθηκαν οι επιδράσεις των εξωτερικών δυνάμεων όπως η βαρύτητα. Το ιξώδες μ είναι το δυναμικό ιξώδες ενώ υπάρχει και το κινηματικό ιξώδες ν, το οποίο είναι το δυναμικό ιξώδες διαιρούμενο με την πυκνότητα (μ/ρ). Οι εξισώσεις που εξάγονται από το Δεύτερο Νόμο του Νεύτωνα και είναι οι 4.9 και 4.10 αφορούν την αρχή διατήρησης της ορμής και αναφέρονται ως εξισώσεις ορμής ή εξισώσεις Navier-Stokes. Το αριστερό μέρος των εξισώσεων περιγράφει την έκφραση επιτάχυνσης και το δεξί περιγράφει την έκφραση για την μεταβολή πίεσης στη ροή και τις επιδράσεις του ιξώδους. Οι εξισώσεις για διατήρηση της μάζας και ορμής μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ακριβή περιγραφή της ροής όταν οι ροές χαρακτηρίζονται από χαμηλή ταχύτητα χωρίς μετάδοση ταχύτητας δηλαδή όλες οι ασυμπίεστες ροές. Από την άλλη μεριά, όταν η ροή είναι τυρβώδης οι συνιστώσες της ταχύτητας εναλλάσσονται ραγδαία στο χώρο και στο χρόνο. Η τύρβη που εμφανίζεται σε μια ροή περιπλέκει τους υπολογισμούς συνεπώς οι παραπάνω εξισώσεις χρησιμοποιούνται μόνο στις στρωτές ροές ή σε πολύ απλές γεωμετρίες τυρβωδών ροών (Κεφάλας, 2012). 4.2 ΑΡΧΕΣ ΤΥΡΒΩΔΩΝ ΡΟΩΝ Οι ροές ρευστών που συναντώνται χωρίζονται σε δύο κύριους τύπους ροής: Στις ομαλές στρωτές ροές στις οποίες η ταχύτητα είναι χαμηλή και στις τυρβώδεις ροές όπου η ταχύτητα έχει τυχαία διακύμανση. Η μοντελοποίηση της τυρβώδους ροής θεωρεί ότι η συνιστάμενη ταχύτητα σε ένα σημείο της ροής για δεδομένη χρονική στιγμή ισούται με τη συνιστώσα της μέσης ταχύτητας η οποία μπορεί να [66]

67 μεταβάλλεται αργά με το χρόνο και από μία δεύτερη συνιστώσα η οποία μεταβάλλεται ραγδαία με το χρόνο: (4.11) όπου είναι η μέση ταχύτητα και η ραγδαία ταλαντευόμενη συνιστώσα. Από τη σχέση 4.2 αντικαθιστώντας την εξίσωση ταχύτητας και ολοκληρώνοντας ως προς το χρόνο (t) δίνεται η σχέση: (4.12) Κάνοντας μία παρόμοια αντικατάσταση στις εξισώσεις ορμής 4.9 και 4.10 oι όροι μεταφοράς που προκύπτουν είναι μη-γραμμικοί όροι, δηλαδή είναι γινόμενα συνιστωσών ταχύτητας και παραγώγων συνιστωσών ταχύτητας. Στη σχέση 4.11 όταν αντικατασταθούν οι εκφράσεις για την ταχύτητα, οι όροι μεταφοράς παράγουν άλλους όρους για κάποια από τα γινόμενα των εναλλασσομένων συνιστωσών, τα οποία (γινόμενα) όταν ολοκληρωθούν ως προς το χρόνο δεν ισούνται με το μηδέν (Κεφάλας, 2012). Παραδείγματος χάριν, στη σχέση 4.9 για την εξίσωση ορμής για τον άξονα x- προκύπτει: (4.13) Οι δύο τελευταίοι όροι στο δεξί τμήμα της παραπάνω εξίσωσης είναι οι επιπρόσθετοι όροι αλλά και οι αντίστοιχοι όροι που προκύπτουν από την αντικατάσταση στις άλλες εξισώσεις ορμής είναι γνωστοί ως τάσεις Reynolds (Reynolds stresses). Αυτοί οι επιπρόσθετοι όροι πρέπει να μοντελοποιηθούν για να ερμηνευτούν οι επιδράσεις της τύρβης (Κεφάλας, 2012). 4.3 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΥΡΒΗΣ Η παραπάνω εξίσωση (4.13) συμπεριλαμβάνοντας τους επιπρόσθετους όρους και τις τάσεις Reynolds παρουσιάζει την πολυπλοκότητα υπολογισμού των τυρβωδών ροών. Στόχος είναι η δημιουργία απλών μαθηματικών σχέσεων για την μοντελοποίηση των όρων ώστε να επιλύονται με χρήση αριθμητικών μεθόδων έχοντας μορφή «κανονικών εξισώσεων» ( Cebeci & Bradshaw, 1977). Αυτό σημαίνει ότι οι απλοποιήσεις που γίνονται μπορεί να είναι τέτοιας έκτασης ώστε να μειώνουν την ακρίβεια των μαθηματικών μοντέλων που δίνουν την περιγραφή της ροής (Bradshaw et al., 1981; Abbott & Basco, 1989). [67]

68 4.3.1 Μοντελοποίηση των τάσεων Reynolds Ένα βήμα για την απλοποίηση της επίλυσης των τυρβωδών ροών είναι να αντιμετωπιστούν οι επιπρόσθετοι όροι ως «τάσεις ιξώδους» (viscous stresses) οι οποίες είναι παράγωγα της τύρβης μέσα στη ροή. Για την υλοποίηση αυτού γίνεται η υπόθεση ότι οι τάσεις ιξώδους και οι τάσεις Reynolds (Reynolds stresses) έχουν παρόμοια δομή. Οι τάσεις Reynolds περιγράφονται ως εξής: (4.14) όπου ένα πρόσθετο ιξώδες λόγω τύρβης. Αντικαθιστώντας τη σχέση 4.14 στη σχέση 4.13 προκύπτει η εξίσωση ορμής: (4.15) Για να πραγματοποιηθεί η διαδικασία της μοντελοποίησης πρέπει να υπολογισθεί το Κάποιες μέθοδοι για τον υπολογισμό του είναι οι ακόλουθοι (Κεφάλας, 2012): Θεωρία μήκους ανάμιξης Μια διαστατική ανάλυση των μεταβλητών δείχνει, ότι το δραστικό τυρβώδες ιξώδες διαιρούμενο με την πυκνότητα ρ, έχει διαστάσεις μήκους πολλαπλασιαζόμενο με ταχύτητα. Έτσι, σχέσεις διαστάσεως ορμής μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αποδειχθεί ότι το περιγράφεται από μια σχέση συναρτήσει της πυκνότητας ρ, του χαρακτηριστικού μήκους της ροής και της τοπικής μέσης ταχύτητας. Από τη σχέση 4.8 για τη διατμητική τάση μπορεί να εξαχθεί μια εξίσωση για το ιξώδες τύρβης η οποία είναι: (4.16) όπου μια σταθερά η οποία πρέπει να προσδιοριστεί μαζί με το χαρακτηριστικό μήκος Ο υπολογισμό αυτών των μεγεθών με αριθμητικές τιμές γίνεται μέσα από τη διεξαγωγή πειραμάτων για απλές τυρβώδεις ροές. Μέσα από αυτά τα πειράματα γίνεται υπολογισμός των συνιστωσών ταχύτητας, της πίεσης, του «στρωτού» ιξώδους και της πυκνότητας κατά μήκος της ροής. Επίσης, μέσα από τις εξισώσεις ορμής υπολογίζεται το ενεργό τυρβώδες ιξώδες συναρτήσει της θέσεως στη ροή. Στη συνέχεια, μέσα από την εξίσωση 4.16 μπορούν να υπολογισθούν οι τιμές του και του για διάφορες θέσεις μέσα στη ροή. Μοντέλα μερικών διαφορικών εξισώσεων [68]

69 Η κατανομή της τυρβώδους κινητικής ενέργειας k για δισδιάστατες ροές είναι η εξής: (4.17) Ο ρυθμός μεταβολής του k ονομάζεται ε και παρουσιάζεται παρακάτω: (4.18) Οι εξισώσεις αυτές ονομάζονται εξισώσεις μεταφοράς καθώς περιγράφουν το πως μεταβάλλονται οι μεταβλητές μέσα στη ροή λόγω μεταφοράς (convection) και διάχυσης (diffusion). Οι παραπάνω εξισώσεις χαρακτηρίζονται ως αρκετά περίπλοκες και συχνά για την απλοποίηση τους αντικαθιστούνται κάποιοι όροι τους με σταθερές παραμέτρους οι οποίες υπολογίζονται με πειράματα. Επιλύοντας την απλοποιημένη εξίσωση μεταφοράς υπολογίζεται η κινητική ενέργεια τύρβης k και το επιπρόσθετο τυρβώδες ιξώδες μπορεί να βρεθεί από την εξίσωση (με προϋπόθεση τη γνώση του : (4.19) Η λύση της εξίσωσης γίνεται μέσα από πειράματα οπότε μένει μόνο ο υπολογισμός του k. Αν δεν είναι γνωστή η τιμή του, τότε μία προσεγγιστική εξίσωση για το ρυθμό ελάττωσης της κινητικής ενέργειας ε μπορεί να επιλυθεί και το επιπρόσθετο τυρβώδες ιξώδες υπολογίζεται από τη σχέση: (4.20) Με την επίλυση των μερικών διαφορικών εξισώσεων για τις παραμέτρους k και ε της τύρβης εφαρμόζεται ένα μοντέλο τύρβης δύο εξισώσεων. Αυτό το μοντέλο είναι γνωστό ως μοντέλο k-ε και χρησιμοποιείται ευρέως στους περισσότερους CFD υπολογισμούς Μοντέλο Standard k-ε Το Standard k-ε μοντέλο είναι ένα ημι-εμπειρικό μοντέλο που βασίζεται στις εξισώσεις μεταφοράς της κινητικής ενέργειας (k) και του ρυθμού κατάπτωσής της (ε). Η εξίσωση μεταφοράς του μοντέλου για το k παράγεται από την ακριβή εξίσωση, ενώ η εξίσωση μεταφοράς του μοντέλου για το ε προέρχεται από τη χρήση «φυσικής» αιτιολόγησης και λίγη ομοιότητα έχει με το ακριβές μαθηματικό του ανάλογο. Κατά την εξέλιξη του μοντέλου k-ε έγινε η υπόθεση ότι η ροή είναι καθολικά τυρβώδης και οι επιδράσεις του μοριακού ιξώδους είναι αμελητέες. Έτσι λοιπόν, το Standard k-ε μοντέλο είναι έγκυρο μόνο για καθολικά τυρβώδεις ροές (Κεφάλας, 2012). [69]

70 Εξισώσεις Μεταφοράς για το μοντέλο Standard k-ε Η τυρβώδης κινητική ενέργεια, k, και ο ρυθμός κατάπτωσής της, ε, εξάγονται από τις ακόλουθες εξισώσεις μεταφοράς: (4.21) και (4.22) Σε αυτές τις εξισώσεις το αντιπροσωπεύει την παραγωγή τυρβώδους κινητικής ενέργειας λόγω των μέσων ταχυτήτων και το την παραγωγή κινητικής ενέργειας λόγω άνωσης. Το αντιπροσωπεύει τη συνεισφορά της ταλαντευόμενης διεύρυνσης της συμπιεστής τύρβης στο συνολικό ρυθμό κατάπτωσης. Τα, και είναι σταθερές ενώ τα και είναι οι τυρβώδεις αριθμοί Prandtl για τα μεγέθη k και ε αντίστοιχα Υπολογισμός Τάσεων Reynolds Η επίλυση των τάσεων Reynolds είναι ένας ακόμη τρόπος μοντελοποίησης της τύρβης. Όμως δεν παύουν να εντοπίζονται τα ίδια προβλήματα όπως στις προηγούμενες προσεγγίσεις και αφορούν τις περίπλοκες εξισώσεις μεταφοράς. Ένα πλεονέκτημα που έχει η συγκεκριμένη μέθοδος είναι η απευθείας μοντελοποίηση των τάσεων παρέχοντας έτσι μια τρισδιάστατη διακύμανση των επιδράσεων της τύρβης. Η διακύμανση των επιδράσεων στους τρείς άξονες συντεταγμένων υπολογίζεται όταν γίνεται πειραματικός υπολογισμός των τάσεων. Οι πιο κοινές μέθοδοι απευθείας μοντελοποίησης των τάσεων Reynolds είναι δύο και παρουσιάζονται παρακάτω: Αλγεβρικά μοντέλα τάσεων: Χρησιμοποιούν μια απλοποιημένη αλγεβρική «φόρμα» των εξισώσεων μεταφοράς για να περιγράψουν τις τάσεις Reynolds. Μοντέλα τάσεων Reynolds: Χρησιμοποιούν την πλήρη μορφή των εξισώσεων μεταφοράς για τις τάσεις Reynolds (Κεφάλας, 2012). [70]

71 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΡΟΗΣ ΑΕΡΑ ΚΑΙ ΡΥΠΩΝ ΣΤΑ ΔΙΑΦΟΡΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ ΤΗΣ ΟΔΙΚΗΣ ΧΑΡΑΔΡΑΣ 5.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ Η προσομοίωση εξετάζει διάφορα μοντέλα γεωμετρίας για ανάδειξη διαφορετικών περιπτώσεων ανακυκλοφορίας των ρύπων ανάμεσα στα κτίρια. Το αρχικό μοντέλο γεωμετρίας, το οποίο αποτελεί το υπόβαθρο για τις μετέπειτα τροποποιήσεις των υπόλοιπων μοντέλων, παρουσιάζεται στο Σχήμα 5.1. Η γεωμετρία της υπό μελέτης περιοχής αποτελείται από τρεις σειρές κτιρίων και η απόσταση μεταξύ τους είναι 6 m. Οι διαστάσεις των κτιρίων αποτελούνται από το ύψος (H) και το πλάτος (W), τα οποία είναι ίσα (H=W=6m). Η πηγή των ρύπων είναι μια καμινάδα τοποθετημένη μπροστά από τα κτίρια σε απόσταση ίση με 13.5m. Οι διαστάσεις της καμινάδας είναι το ύψος H=6m και η διάμετρος D= 1.75m. Η απόσταση της καμινάδας από την είσοδο- inlet της εξεταζόμενης γεωμετρίας είναι 11.5m ενώ το συνολικό μήκος της οδικής χαράδρας ισούται με 85m. Σχήμα 5.1: Γεωμετρία του υπό μελέτη μοντέλου Για την προσομοίωση του πεδίου ροής για το υπό εξέταση μοντέλο χρησιμοποιείται το υπολογιστικό μοντέλο ANSYS 16.0 και το πακέτο Fluent. Το [71]

72 Fluent χρησιμοποιεί μια πληθώρα εξισώσεων όμως στη συγκεκριμένη προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε τις εξισώσεις Navier-Stokes (RANS) και το Μοντέλο των Δυο Εξισώσεων (Two-Equation Models) και συγκεκριμένα τα μοντέλα Standard k ε και RNG k-ε. Κατά την επίλυση των Navier-Stokes εξισώσεων και των εξισώσεων συνέχειας, η ακριβής λύση καθορίζεται από τις κατάλληλες αρχικές συνθήκες και από τις κατάλληλες οριακές συνθήκες. Η μορφή των οριακών συνθηκών που απαιτείται για την επίλυση εξαρτάται τόσο από την εξίσωση όσο και από τον τρόπο διακριτοποίησής της. Οι οριακές συνθήκες κατά την επίλυση προβλημάτων ροής ρευστών με υπολογιστική προσομοίωση αφορούν μεταβλητές όπως: Οι συνιστώσες ταχύτητας που επηρεάζουν τις εξισώσεις ορμής. Η πίεση και η ροή μάζας. Οι μεταβλητές της τύρβης όπως η τυρβώδης κινητική ενέργεια (k) και ο ρυθμός κατάπτωσης της k (ε). Ένα ευρύ φάσμα των τύπων των οριακών συνθηκών που επιτρέπουν την είσοδο και έξοδο της ροής από το πεδίο είναι: o Γενικά: Πίεση Εισόδου, Πίεση Εξόδου o Ασυμπίεστη Ροή: Ταχύτητα Εισόδου, Εκροή o Συμπιεστή Ροή: Ροή Μάζας Εισόδου, Πίεση Άπω Πεδίου o Ειδικά: Είσοδος Ανοίγματος Αερισμού, Έξοδος Ανοίγματος Αερισμού, Ανεμιστήρας Εισαγωγής, Ανεμιστήρας Εξαγωγής Οι οριακές συνθήκες λειτουργούν ως όρια που κατευθύνουν την κίνηση της ροής. Όσον αφορά τις οριακές συνθήκες του μοντέλου που εξετάζεται παρουσιάζονται στο Σχήμα 5.2 και αφορούν: την Είσοδο Αέρα- Inlet_1 (air) Καθορίζει το διάνυσμα της ταχύτητας του αέρα και τοποθετείται μακριά από την καμινάδα που αποτελεί στερεό εμπόδιο για αποφυγή σφαλμάτων επίλυσης. την Είσοδο Ρυπαντή- Inlet_2 (pollutant) Καθορίζει το διάνυσμα της ταχύτητας του ρυπαντή. την Εκροή- Outflow Οι οριακές συνθήκες εκροής χρησιμοποιούνται για να μοντελοποιηθεί η έξοδος της ροής όπου οι λεπτομέρειες της ταχύτητας της ροής και πίεσης δεν είναι γνωστές πριν από τη λύση του προβλήματος ροής. τα Κτίρια- Buildings Wall και το Δρόμο- Road Wall Χρησιμοποιούνται για να δεσμεύσουν περιοχές ρευστού και στερεού. Όπου η εφαπτόμενη ταχύτητα ρευστού είναι ίση με την ταχύτητα του «τοίχου»- wall. Symmetry up και Symmetry left-right [72]

73 Χρησιμοποιούνται για να μειώσουν την υπολογιστική προσπάθεια στο πρόβλημα. Το πεδίο ροής και η γεωμετρία πρέπει να είναι συμμετρικά με μηδενική την ταχύτητα ροής στο συμμετρικό επίπεδο. Σχήμα 5.2: Οι Οριακές Συνθήκες του υπό μελέτη μοντέλου Η προσομοίωση εξετάζει δύο βασικά μοντέλα γεωμετρίας και κάποια άλλα με πιο περίπλοκη γεωμετρία. Το αρχικό μοντέλο με τα κτίρια κάθετα προς τη ροή του ανέμου/ρύπων από την καμινάδα και το δεύτερο με τα κτίρια στραμμένα 45 ο προς τη ροή του ανέμου. Εξετάζονται τρεις (3) ρυπαντές: το διοξείδιο του άνθρακα (Carbon-dioxide - CO 2 ), το μεθάνιο (Methane - CH 4 ) και το διοξείδιο του αζώτου (Nitrogen-dioxide - NO 2 ). Όσον αφορά τις πυκνότητες των ρύπων το μεθάνιο (ρ= kg/m 3 ) έχει μικρότερη πυκνότητα από αυτή του αέρα (ρ=1.225 kg/m 3 ), επομένως είναι ελαφρύτερο. Το διοξείδιο του αζώτου (ρ=1 kg/m 3 ) έχει σχεδόν ίδια πυκνότητα με του αέρα ενώ το διοξείδιο του άνθρακα (ρ= kg/m 3 ) έχει μεγαλύτερη πυκνότητα από αυτή του αέρα. Οι ρύποι με πυκνότητα μικρότερη του αέρα τείνουν να «σκαρφαλώνουν» προς υψηλότερα στρώματα του υπό μελέτη πεδίου ενώ οι ρύποι με πυκνότητα μεγαλύτερη του αέρα τείνουν να «κατεβαίνουν» προς τα χαμηλότερα στρώματα, όπως θα παρατηρηθεί στα επόμενα υποκεφάλαια. [73]

74 Πίνακας 5.1: Πυκνότητες εξεταζόμενων ρυπαντών Ρύπος Πυκνότητα ρύπου (Αύξουσα σειρά) Μεθάνιο- Methane - CH 4 ρ= kg/m 3 Διοξείδιο του αζώτου -Nitrogen-dioxide - NO 2 ρ=1 kg/m 3 Αέρας- Air ρ=1.225 kg/m 3 Διοξείδιο του άνθρακα -Carbon-dioxide - CO 2 ρ= kg/m 3 Η ταχύτητα των ρυπαντών έχει τεθεί ίση με 0.5m/s ενώ για τον αέρα εξετάζονται τέσσερις (4) ταχύτητες: 1m/s, 3m/s, 5m/s και 10m/s. Παρακάτω παρουσιάζεται σε πίνακες ο αριθμός Reynolds για κάθε ταχύτητα του αέρα και για κάθε ρύπο ξεχωριστά. Ο αριθμός Reynolds (Re) ορίζεται ως ο λόγος των δυνάμεων αδράνειας προς τις δυνάμεις ιξώδους και χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό του είδους της ροής (στρωτή ή τυρβώδης). Η στρωτή ροή χαρακτηρίζεται από χαμηλούς αριθμούς Reynolds με κυρίαρχες τις δυνάμεις ιξώδους και αφορά ομαλή και σταθερή κίνηση του ρευστού. Αντίθετα, η τυρβώδης ροή χαρακτηρίζεται από υψηλούς αριθμούς Reynolds με κυρίαρχες τις δυνάμεις αδράνειας οι οποίες παράγουν αστάθειες στην ροή με παρουσία δινών και στροβίλων. Ο αριθμός Reynolds ισούται με: (5.1) Όπου ρ η πυκνότητα σε kg/m 3, u η ταχύτητα σε m/s, L το χαρακτηριστικό μήκος σε m και μ το δυναμικό ιξώδες σε Ns/m 2. Όσον αφορά το χαρακτηριστικό μήκος L, αυτό ισούται με την υδραυλική διατομή d h του δρόμου που βρίσκεται ανάμεσα σε δύο κτίρια όπου ρέει ο αέρας με τον ρύπο και δίνεται από τον τύπο: (5.2) Όπου b το μήκος του δρόμου ανάμεσα από τα δύο κτίρια σε μέτρα (m) και h το ύψος του κτιρίου σε μέτρα (m) και ισούνται b=h=6m. Με αντικατάσταση προκύπτει. Οπότε η σχέση (5.1) γίνεται: (5.3) και με αντικατάσταση προκύπτουν οι παρακάτω πίνακες. [74]

75 Πίνακας 5.2: Αριθμός Reynolds για τη ροή του αέρα Πίνακας 5.3: Αριθμός Reynolds για το Διοξείδιο του Άνθρακα (CO 2 ) Πίνακας 5.4: Αριθμός Reynolds για το Μεθάνιο (CH 4 ) Πίνακας 5.5: Αριθμός Reynolds για το Διοξείδιο του Αζώτου (NO 2 ) [75]

76 5.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟΥ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ (MESH) Στην ενότητα αυτή μελετάται το πλέγμα που χρησιμοποιήθηκε στο πρόγραμμα. Το πλέγμα καθώς και οι προσομοιώσεις πραγματοποιούνται με το πρόγραμμα ANSYS FLUENT Η δημιουργία του πλέγματος αποτελεί σημαντική διαδικασία διότι το πλέγμα καθορίζει δύο σημαντικές μεταβλητές: i. Το χρόνο ολοκλήρωσης του προγράμματος Πυκνότερο πλέγμα σημαίνει περισσότερους υπολογισμούς για τη διεξαγωγή των αποτελεσμάτων συνεπώς και μεγαλύτερες απαιτήσεις σε υπολογιστική ισχύ. Όσο μεγαλύτερο το πλέγμα τόσο περισσότερος χρόνος απαιτείται για την ολοκλήρωση της προσομοίωσης. ii. Την ακρίβεια των υπολογισμών Όσο περισσότερα τα κελιά του πλέγματος τόσο μεγαλύτερη και η ακρίβεια των υπολογισμών. Το πρόγραμμα για τη μελέτη μιας ροής εξετάζει κάθε φορά κάθε κελί ξεχωριστά. Επομένως, όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των τμημάτων του πλέγματος τόσο πιο ακριβή είναι τα αποτελέσματα. Το πλέγμα του μοντέλου αποτελείται από τετραεδρικά κελιά. Σχήμα 5.3: Υπολογιστικό Πλέγμα-Mesh 5.3 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Στα επόμενα υποκεφάλαια παρουσιάζονται τα διάφορα μοντέλα γεωμετρίας που τίθενται υπό εξέταση και εξετάζονται τρεις ρυπαντές (3), το διοξείδιο του άνθρακα (Carbon-dioxide - CO 2 ), το μεθάνιο (Methane - CH 4 ) και το διοξείδιο του αζώτου (Nitrogen-dioxide - NO 2 ). Η διασπορά της ροής των ρύπων εξετάζεται στις [76]

77 εξής ταχύτητες του αέρα: 1m/s, 3m/s, 5m/s και 10m/s, όμως σε ορισμένα μοντέλα παρουσιάζονται μόνο αυτές που παρουσιάζουν αξιόλογα αποτελέσματα και συνήθως είναι οι ταχύτητες 3m/s και 5m/s. Τα πειράματα εκτελούνται με ταχύτητα ρύπου U poll =0.5m/s : Αρχικό Μοντέλο Γεωμετρίας Το αρχικό μοντέλο γεωμετρίας αναφέρεται σε τρεις σειρές κτιρίων, όπου η κάθε σειρά αποτελείται από τρία (3) κτίρια. Συνολικά εντοπίζονται εννέα (9) κτίρια και οι μεταξύ τους αποστάσεις είναι 6 m. Οι διαστάσεις των κτιρίων αποτελούνται από το ύψος (H) και το πλάτος (W), τα οποία είναι ίσα (H=W=6m). Η πηγή των ρύπων είναι μια καμινάδα τοποθετημένη μπροστά από τα κτίρια σε απόσταση ίση με 13.5m. Οι διαστάσεις της καμινάδας είναι το ύψος H=6m και η διάμετρος D= 1.75m. Η απόσταση της καμινάδας από την είσοδο- inlet της εξεταζόμενης γεωμετρίας είναι 11.5m :Ρυπαντής CO 2 Ταχύτητα αέρα U air = 1m/s Παρακάτω παρουσιάζεται η διασπορά του ρύπου CO 2 στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας όπου τα κτίρια είναι κάθετα στη διεύθυνση του αέρα, ο οποίος έχει ταχύτητα 1m/s. Λόγω της χαμηλής ταχύτητας του αέρα η ροή δεν διοχετεύεται ανάμεσα στα ανοίγματα του συγκροτήματος των κτιρίων αλλά διασκορπίζεται στα κατώτερα στρώματα της οδικής χαράδρας και πιο συγκεκριμένα στο επίπεδο του δρόμου, στην περιοχή που βρίσκεται ανάμεσα στην καμινάδα και στην πρώτη σειρά των κτιρίων (Σχ. 5.4). Συνεπώς, το νέφος του ρύπου δεν επηρεάζει άμεσα το βιοτικό επίπεδο των κατοίκων της αστικής οδικής χαράδρας διότι δεν εγκλωβίζεται ανάμεσα στα κτίρια ούτε εμφανίζονται βρόχοι ανακυκλοφορίας και τύρβης. [77]

78 Σχήμα 5.4: Κατανομή του CO 2 στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 1 m/s (Volume Fraction) Για τον παραπάνω λόγο η παρούσα εργασία δεν επικεντρώνεται στη μελέτη του πεδίο ροής όταν η ταχύτητα του αέρα ισούται με 1m/s καθώς δεν παράγονται αξιόλογα αποτελέσματα. Ταχύτητα αέρα U air = 3m/s Παρακάτω παρουσιάζεται η διασπορά του ρύπου CO 2 στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας όπου τα κτίρια είναι κάθετα στη διεύθυνση του αέρα, η ταχύτητα του οποίου είναι 3m/s. Σχήμα 5.5: Κατανομή του CO 2 στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 3 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines [78]

79 Παρατηρείται ότι η διασπορά του ρύπου και κατά συνέπεια η μόλυνση επηρεάζει άμεσα το μεσαίο κτίριο της πρώτης σειράς των κτιρίων και στη συνέχεια διοχετεύεται μέσα από τα ανοίγματα των κτιρίων και στα υπόλοιπα. Οι τελευταίες σειρές των κτιρίων επηρεάζονται έμμεσα από τη ροή του ρύπου. Για καλύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς της ροής αέρα και ρύπου παρουσιάζεται διάγραμμα της ταχύτητας της ροής σε συνάρτηση με το μήκος της οδικής χαράδρας σε μέτρα (m) σε όλα τα μοντέλα γεωμετρίας που εξετάζονται. Για τη δημιουργία του διαγράμματος, με τη βοήθεια του προγράμματος ANSYS FLUENT 16.0, τοποθετούνται γραμμές στο μοντέλο της γεωμετρίας σε διάφορα ύψη κατά τη διεύθυνση του Y άξονα. Συγκεκριμένα, τα ύψη που επιλέχθηκαν για την παραγωγή του διαγράμματος είναι y=0.5m, y=3m, y=6m και y=9m και επιλέχθηκαν σύμφωνα με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της οδικής χαράδρας (Σχ.5.6). Τα ύψη 0.5m και 3m αφορούν το κατώτερο επίπεδο της χαράδρας και συγκεκριμένα το επίπεδο του δρόμου όπου κινούνται οι άνθρωποι και η επίδραση της ρύπανσης έχει άμεσο αντίκτυπο σε αυτούς, ενώ τα ύψη 6m και 9m αφορούν το επίπεδο των οροφών των κτιρίων και την περιοχή πάνω από αυτά. y=9 m y=6 m y=3 m y=0.5 m Σχήμα 5.6: Τοποθέτηση γραμμών για την αριθμητική απεικόνιση της ταχύτητας του πεδίου ροής Το διάγραμμα για την αριθμητική απεικόνιση της συμπεριφοράς του ροϊκού πεδίου με βάση τις τιμές που λαμβάνει η ταχύτητα στα διάφορα μήκη της οδικής χαράδρας παρουσιάζεται παρακάτω (Σχ.5.7). Οι χρωματιστές γραμμές απεικονίζουν τα τέσσερα ύψη που εξετάζονται. [79]

80 Σχήμα 5.7: Διάγραμμα της ταχύτητας της ροής σε συνάρτηση με το μήκος της οδικής χαράδρας Όταν η ροή αέρα και ρύπου προσκρούει στα κτίρια δηλαδή στις περιπτώσεις όπου το ύψος y ισούται με 0.5m και 3m, από το διάγραμμα παρατηρείται ότι η ροή διακόπτεται και η ταχύτητας της δεν λαμβάνει τιμές. Αντίθετα, στην περίπτωση όπου y=6m, όταν η ροή έρχεται σε επαφή με τις οροφές των κτιρίων, η ταχύτητα της ροής φαίνεται να λαμβάνει μηδενικές τιμές. Στην πραγματικότητα οι τιμές της ταχύτητας στο πρώτο κτίριο είναι αρνητικές λόγω του φαινομένου της αποκόλλησης, το οποίο αναλύεται παρακάτω, ενώ στα επόμενα δύο κτίρια η ροή λαμβάνει μηδενικές τιμές λόγω πρόσκρουσης και χαρακτηρίζεται ομαλή. Η συμπεριφορά της ροής στις οροφές των κτιρίων οπτικοποιείται από το Σχήμα 5.8. Τέλος, η ροή στην περιοχή πάνω από τα κτίρια δεν εμφανίζει διακυμάνσεις και ασυνέχειες καθώς δεν υπάρχουν εμπόδια και συνεπώς χαρακτηρίζεται ομαλή. [80]

81 Σχήμα 5.8: Η συμπεριφορά της ροής στις οροφές των κτιρίων Στην οροφή του πρώτου κτιρίου που βρίσκεται κάθετο στη διεύθυνση του αέρα παρατηρείται το φαινόμενο της αποκόλλησης καθώς η αποκολλάται από το τοίχωμα της οροφής και συνεπώς η ταχύτητα λαμβάνει αρνητικές τιμές. Καθώς η ροή αέραρύπου εισέρχεται στην οδική χαράδρα με σχετικά υψηλή ταχύτητα, το πρώτο κτίριο παρεμποδίζει την μέχρι τώρα ομαλή ροή καθώς η απότομη αλλαγή γεωμετρίας έχει ως αποτέλεσμα τη μεγιστοποίηση της τυρβώδους κινητικής ενέργειας του πρώτου κτιρίου. Όσον αφορά το πεδίο ροής κατάντι του πρώτου κτιρίου διαπιστώνεται επιτάχυνσης της ροής πάνω από αυτό και σημαντική μείωση των επιπέδων τύρβης μετά από αυτό, ενώ στις οροφές των άλλων δύο κτιρίων δεν παρατηρείται αποκόλληση καθώς η ροή έχει εξασθενήσει. Τα Σχήματα 5.9, 5.10 και 5.11 που ακολουθούν απεικονίζουν το πεδίο ροής με τις διαβαθμίσεις της ταχύτητας αέρα και ρύπου (vectors και contour) όπου διακρίνονται οι περιοχές της οδικής χαράδρας που χαρακτηρίζονται από ομαλότητα της ροής και οι περιοχές που χαρακτηρίζονται από φαινόμενα τύρβης και ανακυκλοφορίας. Τα επίπεδα τύρβης είναι πάντοτε αυξημένα στην προσήνεμη πλευρά των οδικών χαραδρών. Στην περίπτωση όπου η διεύθυνση του αέρα είναι κάθετη με τα κτίρια, παρουσιάζονται σχετικά αυξημένες συγκεντρώσεις ρύπων στην υπήνεμη πλευρά και πολύ μικρές συγκεντρώσεις στην προσήνεμη. [81]

82 Σχήμα 5.9: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα (vectors) Στο Σχήμα 5.10 οι διάφορες διαβαθμίσεις της ταχύτητας του ροϊκού πεδίου που εμφανίζονται στην οδική χαράδρα ταξινομούνται βάσει αριθμών και στην κάθε περιοχή εμφανίζεται ο αντίστοιχος αριθμός από την κλίμακα των διαβαθμίσεων. Το ίδιο ισχύει και για το Σχήμα 5.11 όπου παρουσιάζεται η κατανομή της ταχύτητας από την έμπροσθεν πλευρά της οδικής χαράδρας στα κτίρια της πρώτης σειράς του συγκροτήματος. Σχήμα 5.10: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα (contour) [82]

83 Σχήμα 5.11: Κατανομή της ταχύτητας της ροής από την έμπροσθεν πλευρά στην οδική χαράδρα (contour) Από τα Σχήματα 5.9 & 5.10 διακρίνονται οι περιοχές στις οποίες λαμβάνουν χώρα τα φαινόμενα ανακυκλοφορίας και τύρβης. Ανάμεσα στα κτίρια και συγκεκριμένα στο επίπεδο του δρόμου στην υπήνεμη πλευρά εντοπίζονται στρόβιλοι με αποτέλεσμα η συγκέντρωση των ρύπων να είναι αυξημένη καθώς οι βρόχοι ανακυκλοφορίας επηρεάζουν τη ροή και οι ρύποι εγκλωβίζονται στα κατώτερα στρώματα της αστικής οδικής χαράδρας. Ο κύριος στρόβιλος διαμορφώνεται στο πίσω μέρος του τελευταίου κτιρίου όπου συγκεντρώνονται τα σωματίδια του ρύπου που δεν εγκλωβίστηκαν ανάμεσα στα κτίρια και λόγω μεγάλου ανοίγματος το μέγεθός του σημαντικά μεγαλύτερο των προηγούμενων. Τα ανώτερα επίπεδα της οδικής χαράδρας, η περιοχή δηλαδή πάνω από τα κτίρια χαρακτηρίζεται από ομαλότητα ροής χωρίς την εμφάνιση τύρβης. Τέλος, στο Σχήμα 5.12 παρουσιάζεται η διασπορά του Διοξειδίου του Άνθρακα στην οδική χαράδρα όπου διακρίνονται οι περιοχές ανακυκλοφορίας με τις δίνες τύρβης κυρίως στην υπήνεμη πλευρά των κτιρίων. Η απεικόνιση της κατανομής του ρύπου βοηθά στην διερεύνηση και κατανόηση των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα εντός του κτιριακού συγκροτήματος. [83]

84 Σχήμα 5.12: Ορατοποίηση του πεδίου ροής αέρα-co 2 στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας της οδικής χαράδρας Ταχύτητα αέρα U air = 5m/s Στη συνέχεια παρουσιάζεται η ροή του ρύπου CO 2 όταν η ταχύτητα του αέρα είναι ίση με 5m/s (Σχ.5.13). Σχήμα 5.13: Κατανομή του CO 2 στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines Παρατηρείται ότι ο ρυπαντής μεταφέρεται στο επάνω μέρος της αστικής χαράδρας (street canyon) λόγω της αυξημένης ταχύτητας του αέρα. Συνεπώς η ροή του ρύπου δεν επηρεάζει άμεσα τα κτίρια, όπως στην προηγούμενη περίπτωση, αλλά [84]

85 δεν παύει να έχει αρνητικές επιδράσεις καθώς ένα ποσοστό του ρύπου διοχετεύεται ανάμεσα στα κτίρια. Ταχύτητα αέρα U air = 10m/s Στην περίπτωση που η ταχύτητα του αέρα τίθεται ίση με 10m/s το νέφος του ρύπου «σκαρφαλώνει» προς τα ανώτερα στρώματα της οδικής χαράδρας και λόγω της υψηλής ταχύτητας, τα σωματίδια του ρυπαντή δεν διοχετεύονται στα ανοίγματα των κτιρίων. Η μη ύπαρξη τύρβης και στροβίλων ανακυκλοφορίας έχει ως αποτέλεσμα η ρύπανση να μην εγκλωβίζεται στο επίπεδο του δρόμου, όπως συμβαίνει στις προηγούμενες περιπτώσεις, και συνεπώς δεν επηρεάζει άμεσα το περιβάλλον και τους κατοίκους της οδικής χαράδρας. Σχήμα 5.14: Κατανομή του CO 2 στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 10 m/s (Volume Fraction) Παρόμοια με την περίπτωση όπου U air = 1m/s, η παρούσα μελέτη δεν επικεντρώνεται στη διερεύνηση του πεδίου ροής για ταχύτητα αέρα ίση με 10m/s καθώς η διασπορά των ρύπων δεν εμφανίζει αξιόλογα αποτελέσματα. Το ίδιο ισχύει για όλα τα μοντέλα γεωμετρίας του εξετάζονται. [85]

86 :Ρυπαντής CH4 & NO 2 Ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s Το αρχικό μοντέλο γεωμετρίας της αστικής χαράδρας εξετάζεται και με άλλους δύο ρυπαντές (CH4 και NO 2 ). Στο Σχήμα 5.15 απεικονίζεται η συμπεριφορά των ρυπαντών όταν η ταχύτητα του αέρα είναι ίση με 5 m/s. Παρατηρείται ότι παρουσιάζουν παρόμοια συμπεριφορά καθώς η ροή του ρύπου ξεφεύγει από τα χαμηλότερα στρώματα της αστικής χαράδρας και μεταφέρεται προς τα υψηλότερα με αποτέλεσμα τα κτίρια να μην επηρεάζονται άμεσα από τη ροή της μόλυνσης. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι παρά την έμμεση επίδραση του ρύπου στο σύμπλεγμα κτιρίων, οι επιπτώσεις του Μεθανίου (CH4) είναι σοβαρές καθώς έχει 33 φορές μεγαλύτερη επίδραση στο περιβάλλον σε σύγκριση με το διοξείδιο του άνθρακα (σε μια περίοδο 100 χρόνων), σύμφωνα με πρόσφατη έρευνα. Σχήμα 5.15: a) CH4 Volume Fraction στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s b) NO 2 Volume Fraction στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s [86]

87 5.3.2: 2 ο Μοντέλο Γεωμετρίας- Κτίρια στραμμένα 45 ο μοίρες κατά τη διεύθυνση του αέρα Το δεύτερο μοντέλο γεωμετρίας της αστικής χαράδρας που εξετάζεται είναι παραλλαγή του αρχικού, όπου τα κτίρια έχουν τις ίδιες διαστάσεις αλλά είναι στραμμένα 45 ο προς τη διεύθυνση του αέρα :Ρυπαντής CO 2 Ταχύτητα αέρα U air = 3m/s Στο Σχήμα 5.16 απεικονίζεται η διασπορά του διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) στο δεύτερο μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air =3m/s. Σχήμα 5.16: Κατανομή του CO 2 στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 3 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines Παρατηρείται ότι αυτή η μορφοποίηση στη γεωμετρία του μοντέλου έχει ως αποτέλεσμα πιο έντονη διασπορά του ρύπου σε όλο το πεδίο της χαράδρας. Μεγάλη συγκέντρωση ρύπου εντοπίζεται στo κάτω μέρος του μοντέλου δηλαδή στο επίπεδο των κτιρίων επηρεάζοντας τα άμεσα. Λόγω της γωνίας που δημιουργείται από την περιστροφή των κτιρίων, οι ρύποι «σκάνε» στην επιφάνεια των κτισμάτων, διασπώνται εντονότερα και στη συνέχεια διοχετεύονται στα ανοίγματα που υπάρχουν ανάμεσα στα κτίρια φτάνοντας έως και τα κτίρια των τελευταίων σειρών καθώς και σε περιοχές εκτός του συγκροτήματος κτιρίων. Αυτή η αλλαγή στη γεωμετρία έχει ως αποτέλεσμα να επηρεάζονται άμεσα όλα τα κτίρια του μοντέλου (σε σύγκριση με το αρχικό μοντέλο) και πιο συγκεκριμένα τη μεσαία σειρά των κτιρίων η οποία πλήττεται περισσότερο από τη ροή του ρύπου. Αυτή η προσέγγιση δείχνει ένα από τα χειρότερα σενάρια ανακυκλοφορίας της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Μικρά hotspots [87]

88 της ρύπανσης θα μπορούσαν, επίσης, να δημιουργηθούν και σε μικρές κοιλότητες, όπου εντοπίζονται πρόσθετα φαινόμενα ανακυκλοφορίας. Όσον αφορά την κατανομή της ταχύτητας της ροής στα διάφορα επίπεδα της αστικής οδικής χαράδρας, γίνεται μια προσπάθεια αριθμητικής απεικόνισης με τη βοήθεια διαγράμματος της ταχύτητας ροής συναρτήσει του μήκους της αστικής χαράδρας σε μέτρα (m). Για την παραγωγή του διαγράμματος, στο μοντέλο γεωμετρίας που εξετάζεται τοποθετούνται γραμμές σε διάφορα ύψη με τη βοήθεια του προγράμματος ANSYS FLUENT 16.0 όπως ακριβώς και στο αρχικό μοντέλο. Τα ύψη των γραμμών και στη συγκεκριμένη περίπτωση είναι τα εξής: 0.5m, 3m, 6m και 9m και παρουσιάζονται παρακάτω (Σχ.5.17). Τα ύψη 0.5m και 3m αφορούν το επίπεδο του δρόμου όπου εγκλωβίζεται το μεγαλύτερο ποσοστό της ρύπανσης, το ύψος 6m αφορά το επίπεδο των οροφών των κτιρίων και τέλος το ύψος 9m αφορά την περιοχή πάνω από τα κτίρια, δηλαδή τα ανώτερα στρώματα της οδικής χαράδρας. y=9 m y=6 m y=3 m y=0.5 m Σχήμα 5.17: Τοποθέτηση γραμμών για την αριθμητική απεικόνιση της ταχύτητας του πεδίου ροής Στο διάγραμμα της ταχύτητας της ροής και του μήκους της οδικής χαράδρας (Σχ.5.18) οι χρωματιστές γραμμές απεικονίζουν τα διάφορα ύψη. [88]

89 Σχήμα 5.18: Διάγραμμα της ταχύτητας της ροής σε συνάρτηση με το μήκος της οδικής χαράδρας Διαπιστώνεται ότι μεγάλες διακυμάνσεις της ταχύτητας εντοπίζονται στα ύψη y=0.5m, y=3m και y=6m δηλαδή στις περιπτώσεις όπου η ροή βρίσκεται κοντά στο επίπεδο του δρόμου και των κτιρίων. Παρατηρείται, επίσης, ότι όταν η ροή αέρα και ρύπου προσκρούει στα κτίρια υπάρχει ασυνέχεια στο πεδίο ροής και η ταχύτητα παύει να λαμβάνει τιμές. Στην περίπτωση όπου y=6m όταν δηλαδή η ροή έρχεται σε επαφή με τις οροφές, η ταχύτητα φαίνεται να λαμβάνει μηδενικές τιμές. Είναι σημαντικό να εξετάζεται το φαινόμενο της αποκόλλησης στις οροφές των κτιρίων όταν η ροή στην αρχή προσκολλάται στο τοίχωμα της οροφής και στην συνέχεια αποκολλάται προκαλώντας στροβιλισμούς και επηρεάζοντας τη διασπορά των ρύπων. Στη συγκεκριμένη γεωμετρία δεν συναντάται αποκόλληση (όπως στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας) λόγω της κλίσης των 45 ο των κτιρίων στη διεύθυνση της ροής. Αυτή η στροφή των 45 ο έχει ως αποτέλεσμα την εντονότερη διασπορά και διάχυση [89]

90 των ρύπων κατά την πρόσκρουση της ροής στα τοιχώματα και συνεπώς μεγαλύτερα ποσοστά ρύπανσης σε όλο το πλάτος της οδικής χαράδρας με ομαλή, όμως, ροή στις οροφές των κτισμάτων (Σχ.5.19). Σχήμα 5.19: Η συμπεριφορά της ροής στις οροφές των κτιρίων Στο πεδίο ροής αέρα και ρύπου εντός της αστικής οδικής χαράδρας παρατηρούνται συχνά βρόχοι τύρβης και ανακυκλοφορίας της ροής. Ο εντοπισμός αυτών των περιοχών γίνεται ευκολότερος με τη βοήθεια των παρακάτω σχημάτων (Σχ.5.20 & 5.21). Σχήμα 5.20: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα (vectors) [90]

91 Σχήμα 5.21: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα (contour) Δυο στρόβιλοι ανακυκλοφορίας εντοπίζονται ανάμεσα στα κτίρια στην υπήνεμη πλευρά των κτιρίων παγιδεύοντας έτσι μεγαλύτερη συγκέντρωση σωματιδίων του ρυπαντή στο επίπεδο του δρόμου και στη συνέχεια η ροή ανεβαίνει προς τα πάνω με τη ρύπανση διαρκώς μειούμενη. Ένας κύριος βρόχος τύρβης εμφανίζεται στο πίσω μέρος του τελευταίου κτιρίου του συγκροτήματος όπου συσσωρεύεται η ροή. Πάνω από το επίπεδο των οροφών των κτιρίων και όσο απομακρύνεται η ροή από αυτά χαρακτηρίζεται ομαλή χωρίς φαινόμενα ανακυκλοφορίας. Το Σχήμα 5.22 αφορά την κατανομή της ταχύτητας αέρα- ρύπου στην πρώτη σειρά των κτιρίων από την έμπροσθεν πλευρά της οδικής χαράδρας και οι αριθμοί που εμφανίζονται (όπως και στο Σχ.5.21) αφορούν τις τιμές της ταχύτητας σύμφωνα με την κλίμακα ταξινόμησης των διαβαθμίσεων. [91]

92 Σχήμα 5.22: Κατανομή της ταχύτητας της ροής από την έμπροσθεν πλευρά της οδικής χαράδρας (contour) Η απεικόνιση της διασποράς του Διοξειδίου του Άνθρακα στο συγκεκριμένο μοντέλο γεωμετρίας συμβάλλει στην κατανόηση της συμπεριφοράς της ροής και στον εντοπισμό των περιοχών έντονης συγκέντρωσης της ρύπανσης. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από το Σχήμα 5.23 έρχονται σε συμφωνία με τις παραπάνω διαπιστώσεις που αναφέρουν φαινόμενα ανακυκλοφορίας ανάμεσα στα κτίρια με ένα κύριο στρόβιλο στην υπήνεμη πλευρά του τελευταίου κτιρίουκαι ορισμένους δευτερεύοντες στροβίλους. Σχήμα 5.23: Ορατοποίηση του πεδίου ροής αέρα-co 2 στο 2 ο μοντέλο γεωμετρίας της οδικής χαράδρας [92]

93 Ταχύτητα αέρα U air = 5m/s Το παρακάτω σχήμα (Σχ.5.24) απεικονίζει τη διασπορά του ρύπου CO 2 όταν η ταχύτητα του αέρα είναι ίση με 5m/s. Σχήμα 5.24: Κατανομή του CO 2 στο αρχικό μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines Όταν η ταχύτητα του αέρα τίθεται ίση με 5 m/s, η ροή του ρύπου παρουσιάζει παρόμοια συμπεριφορά με την προηγούμενη περίπτωση (όπου U air =3m/s). Ο ρύπος εντοπίζεται στα κατώτερα στρώματα της αστικής χαράδρας, στο επίπεδο των κτιρίων και διοχετεύεται στα κενά που υπάρχουν ανάμεσα στα κτίρια. Η κύρια διαφορά των δύο περιπτώσεων είναι ότι στη δεύτερη (όπου U air =5m/s) η συγκέντρωση του ρύπου είναι χαμηλότερη και η διάχυση δεν είναι τόσο εκτεταμένη : Ρυπαντής CH4 & NO 2 Η δεύτερη γεωμετρία της αστικής χαράδρας, που αποτελεί παραλλαγή του αρχικού μοντέλου, εξετάζεται με τους άλλους δύο ρυπαντές, Μεθάνιο και Διοξείδιο του Αζώτου. Ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s Παρακάτω παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των ροών των δύο ρύπων όταν η ταχύτητα του αέρα είναι ίση με 5 m/s (Σχ.5.25). Οι δύο ροές έχουν κοινά στοιχεία καθώς και οι δύο ρύποι διαχέονται στα υψηλότερα τμήματα του μοντέλου της αστικής χαράδρας και όχι στο επίπεδο των κτιρίων όπως συμβαίνει με τη ροή του [93]

94 διοξειδίου του άνθρακα. Όσον αφορά το διοξείδιο του αζώτου (NO 2 ) η ροη της ρύπανση μεταφέρεται και σε περιοχές μακριά από τα συγκρότημα των κτιρίων παρουσιάζοντας έτσι μια πιο εκτενή ροή σε σύγκριση με αυτή του Μεθανίου (CH4). Σχήμα 5.25: a) CH4 Volume Fraction στο δεύτερο μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s b) NO 2 Volume Fraction στο δεύτερο μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s 5.3.3: 3 o Μοντέλο Γεωμετρίας Το επόμενο μοντέλο γεωμετρίας της αστικής χαράδρας είναι επίσης παραλλαγή του αρχικού. Τα κτίρια βρίσκονται κάθετα στη ροή του ρύπου και έχουν τις ίδιες διαστάσεις (H=W=6m) εκτός από τα μεσαίο κτίριο της δεύτερης σειράς, το οποίο έχει το ίδιο πλάτος (W=6m) αλλά διπλάσιο ύψος (Η=12m) από τα υπόλοιπα κτίρια. Αυτό το μοντέλο γεωμετρίας, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, μπορεί να θεωρηθεί ως μοντέλο «Αύξησης Αναβαθμού» για τα δύο πρώτα κτίρια της μεσαίας σειρά καθώς αποτελούν οδική χαράδρα Αυξανόμενης Βαθμίδας (Step-up) διότι το κτίριο κατάντη της ροής αέρα-ρύπου είναι πιο ψηλό. Αντίθετα, στην ίδια σειρά, τα δύο τελευταία κτίρια αποτελούν μοντέλο «Μείωσης Αναβαθμού» καθώς η οδική χαράδρα είναι Μειούμενης Βαθμίδας (Step-down) καθώς το κτίριο κατάντη της ροής είναι πιο χαμηλό. Συνεπώς η τοποθέτηση του ψηλότερου κτιρίου στο μέσο του κτιριακού συγκροτήματος αλλάζει όλη τη γεωμετρία της χαράδρας :Ρυπαντής CO 2 Αρχικά, εξετάζεται η συγκεκριμένη δομή της αστικής χαράδρας με ρυπαντή το Διοξείδιο του άνθρακα CO 2 με ταχύτητα ανέμου ίση με 5m/s. Οι προσομοιώσεις στις υπόλοιπες ταχύτητες (1m/s, 3m/s και 10m/s) δεν εμφάνιζαν αξιοσημείωτα [94]

95 αποτελέσματα όσον αφορά τη ροή και διασπορά των ρύπων και συνεπώς δεν αναλύονται. Ταχύτητα αέρα U air = 5m/s Το Σχήμα 5.26 απεικονίζει τη διασπορά του ρύπου CO 2 όταν η ταχύτητα του αέρα είναι ίση με 5m/s. Παρατηρείται ότι η ροή του ρύπου κατευθύνεται προς τα κτίρια και ένα μεγάλο ποσοστό της ροής «σκάει» στο ψηλό κτίριο και στη συνέχεια διασπάται και διοχετεύεται ανάμεσα στα κτίρια. Από την απεικόνιση της ροής θα μπορούσε να ειπωθεί ότι το ψηλό κτίριο λειτουργεί ως ασπίδα για τα κτίρια που βρίσκονται όπισθεν αυτού καθώς δέχεται το μεγαλύτερο μέρος της ροής του ρυπαντή με αποτέλεσμα η μόλυνση να επηρεάζει άμεσα το συγκεκριμένο κτίριο και εν συνεχεία έμμεσα τα υπόλοιπα κτίρια. Σχήμα 5.26: Κατανομή του CO 2 στο 3 o μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines Για την αριθμητική απεικόνιση της ταχύτητας της ροής εντός της αστικής οδικής χαράδρας, χρησιμοποιήθηκαν γραμμές στο μοντέλο γεωμετρίας των κτιρίων τοποθετημένες σε διάφορα ύψη (Σχ.5.27). Οι γραμμές βοηθάνε στην καλύτερη οπτικοποίηση και κατανόηση της συμπεριφοράς του ροϊκού πεδίου όσον αφορά την ταχύτητα αέρα και ρύπου και τα ύψη όπου τοποθετούνται είναι τα εξής: 0.5m, 3m, 6m, 9m και 12m. Τα ύψη επιλέχθηκαν βάσει της γεωμετρίας του μοντέλου καθώς όλα τα κτίρια εκτός του μεσαίου έχουν ύψος ίσο με H=6m και το μεσαίο κτίριο έχει διπλάσιο ύψος H=12m οπότε τα ύψη 6m, 9m και 12m αφορούν το επίπεδο των κτιρίων και τα ανώτερα στρώματα του μοντέλου. Αντίθετα τα ύψη 0.5m και 3m αφορούν τις κατώτερες βαθμίδες της οδικής χαράδρας και συγκεκριμένα το επίπεδο [95]

96 του δρόμου όπου κινούνται οι άνθρωποι και το οποίο συγκεντρώνει τα μεγαλύτερα ποσοστά ρύπανσης. Από τις γραμμές, μέσω του προγράμματος ANSYS Fluent, παράγεται το διάγραμμα της ταχύτητας της ροής σε συνάρτηση με το μήκος της αστικής οδικής χαράδρας. y=12 m y=9 m y=6 m y=3 m y=0.5m Σχήμα 5.27: Τοποθέτηση γραμμών για την αριθμητική απεικόνιση της συμπεριφοράς του πεδίου ροής Το Σχήμα 5.28 παρουσιάζει τις τιμές που λαμβάνει η ταχύτητα ροής σε συνάρτηση με το μήκος της οδικής χαράδρας μετρούμενο σε μέτρα (m) σε διαφορετικά ύψη της χαράδρας. [96]

97 Σχήμα 5.28: Διάγραμμα της ταχύτητας της ροής σε συνάρτηση με το μήκος της οδικής χαράδρας Τα ύψη που επιλέχθηκαν να μελετηθούν απεικονίζονται με τις χρωματιστές γραμμές. Οι γραμμές που αντιπροσωπεύουν τα ύψη 0.5m και 3m εμφανίζουν ασυνέχεια στα σημεία όπου η ροή προσκρούει στα κτίρια ενώ οι γραμμές που αντιπροσωπεύουν τα ύψη 6m και 12m στα σημεία όπου η ροή έρχεται σε επαφή με τις οροφές των κτιρίων, η ταχύτητα της ροής φαίνεται να λαμβάνει μηδενικές τιμές. Συνεπώς πρέπει να εξετασθεί το ενδεχόμενο αποκόλλησης της ροής από τα τοιχώματα των οροφών των κτιρίων. Το παρακάτω σχήμα (Σχ.5.29) παρουσιάζει τη συμπεριφορά της ροής στις οροφές των τριών κτιρίων που βρίσκονται κάθετα στη διεύθυνση της ροής. Παρατηρείται ότι στα δύο πρώτα κτίρια εμφανίζεται το φαινόμενο αποκόλλησης καθώς η ροή φαίνεται να αποκολλάται από την οροφή των κτιρίων με την ταχύτητα να λαμβάνει αρνητικές τιμές ενώ στο τρίτο και τελευταίο η ροή είναι ομαλή και εξασθενημένη. [97]

98 Σχήμα 5.29: Η συμπεριφορά της ροής στις οροφές των κτιρίων Όσο πιο κοντά στο επίπεδο του δρόμου βρίσκεται η ροή τόσο πιο πολλές διακυμάνσεις εμφανίζει. Ανεβαίνοντας προς τα ανώτερα επίπεδα της αστικής οδικής χαράδρας, η ροή εξομαλύνεται χωρίς απότομες αλλαγές και με πιο σπάνια την εμφάνιση φαινομένων ανακυκλοφορίας. Μετά τα 50 m και για απόσταση περίπου δέκα (10) μέτρων, δηλαδή στο πίσω μέρος του ψηλότερου κτιρίου, παρατηρείται απότομη αύξηση της ταχύτητας της ροής το οποίο μεταφράζεται σε έντονη ανακυκλοφορία ρύπου, δημιουργία δινών και στροβίλων και έντονη διασπορά της ρύπανσης. Για την καλύτερη κατανόηση και διερεύνηση του πεδίου ροής όσον αφορά τις διαβαθμίσεις της ταχύτητας παρουσιάζονται τα Σχήματα 5.30 και Δίνες ανακυκλοφορίας εντοπίζονται εκατέρωθεν των κτιρίων και ένας κύριος στρόβιλος λαμβάνει χώρα όπισθεν του ψηλότερου κτιρίου. Μεγάλο μέρος της διασποράς του ρυπαντή εγκλωβίζεται στα κατώτερα επίπεδα της οδικής χαράδρας επηρεάζοντας άμεσα το περιβάλλον και το βιοτικό επίπεδο των κατοίκων. Στις οροφές των δύο πρώτων κτιρίων παρατηρείται επίσης μια τάση για δημιουργία βρόχου ανακυκλοφορίας ενώ στην οροφή του τελευταίου κτιρίου η ροή είναι ομαλή. [98]

99 Σχήμα 5.30: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα (vectors) Ακόμη, στο Σχήμα 5.31 παρουσιάζονται οι διαβαθμίσεις της ταχύτητας του ροϊκού πεδίου όπου οι αριθμοί που εμφανίζονται σε κάθε περιοχή αντιπροσωπεύουν την αντίστοιχη τιμή της ταχύτητα από την κλίμακα ταξινόμησης. Σχήμα 5.31: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα (contour) Το ίδιο ισχύει και για το Σχήμα 5.32 που απεικονίζει τις διάφορες ταχύτητες του ροϊκού πεδίο από την έμπροσθεν πλευρά της αστικής οδικής χαράδρας. Ανάμεσα στα κτίρια και στο δρόμο εντοπίζεται η δημιουργία στροβίλων με χαμηλές ταχύτητες ενώ υψηλότερες ταχύτητες παρατηρούνται στο επάνω μέρος του μεσαίου κτιρίου. [99]

100 Σχήμα 5.32: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην έμπροσθεν πλευρά της οδικής χαράδρας (contour) Το Σχήμα 5.33 απεικονίζει τη διασπορά και κατανομή του Διοξειδίου του Άνθρακα εντός του κτιριακού συγκροτήματος για την κατανόηση της συμπεριφοράς της ροής του ρύπου. Η διαφοροποίηση που εμφανίζει η συγκεκριμένη περίπτωση σε σχέση με τα προηγούμενα μοντέλα είναι ο εκτενής στρόβιλος που εντοπίζεται πίσω από το μεσαίο κτίριο στο πάνω μέρος της υπήνεμης πλευράς. Αυτό οφείλεται στην τοποθέτηση κτιρίου διπλάσιου ύψους στο μέσο του συγκροτήματος των κτιρίων με αποτέλεσμα ο βρόχος ανακυκλοφορίας να εμφανίζεται σε υψηλότερα στρώματα της οδικής χαράδρας και όχι στο επίπεδο του δρόμου. [100]

101 Σχήμα 5.33: Ορατοποίηση του πεδίου ροής αέρα-co 2 στο 3 ο μοντέλο γεωμετρίας της οδικής χαράδρας :Ρυπαντής NO 2 Παρακάτω παρουσιάζεται η διασπορά της ροής του ρυπαντή Διοξείδιο του Αζώτου στο 3 ο μοντέλο γεωμετρίας της αστικής χαράδρας. Ταχύτητα αέρα U air = 5m/s Στο Σχήμα 5.34 παρουσιάζεται η απεικόνιση της διασποράς του ρυπαντή NO 2, ο οποίος εκπέμπεται μέσω της καμινάδας που βρίσκεται μπροστά από τα κτίρια, με ταχύτητα αέρα ίση με U air = 5m/s. Παρατηρείται ότι η ροή του ρύπου κατευθύνεται προς τα ανώτερα τμήματα της αστικής χαράδρας και σε περιοχές εκτός της συστάδας των κτιρίων, λόγω της πυκνότητας του ρύπου που είναι μικρότερη από αυτή του [101]

102 αέρα. Σε ένα επίπεδο ΧΥ συντεταγμένων απεικονίζονται τα διανύσματα ταχύτητας της ροής του ρύπου μέσω της κατανομής των γραμμών ροής (streamlines). a) b) Σχήμα 5.34: Κατανομή του NO 2 στο 3 o μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines 5.3.4: 4 ο Μοντέλο Γεωμετρίας Το 4 ο μοντέλο γεωμετρίας που εξετάζεται είναι μια ακόμη παραλλαγή του αρχικού μοντέλου. Στη συγκεκριμένη περίπτωση αντί για τρεις (3) σειρές κτιρίων υπάρχουν δύο (2) και στη θέση της πρώτης σειράς τοποθετείται ένα μεμονωμένο κτίριο. Τα κτίρια των δύο σειρών διατηρούν τις διαστάσεις τους όπως στο αρχικό μοντέλο (H=W=6m) ενώ το μεμονωμένο κτίριο έχει διπλάσιο ύψος και πλάτος (H=W=12m). Το συγκεκριμένο μοντέλο γεωμετρίας αποτελεί μοντέλο «Μείωσης Αναβαθμού» για την μεσαία σειρά των κτιρίων καθώς η οδική χαράδρα είναι Μειούμενης Βαθμίδας (step-down) όπου τα κτίρια κατάντη της ροής είναι πιο χαμηλά :Ρυπαντής CO 2 Αρχικά, στο 4 ο μοντέλο γεωμετρίας, εξετάζεται η ροή του Διοξειδίου του Άνθρακα με ταχύτητα ρύπου U pol =0.5 m/s στις διάφορες ταχύτητες του αέρα. Όπως και στο προηγούμενο μοντέλο (3 ο Μοντέλο Γεωμετρίας) εξετάζεται ο ρυπαντής CO 2 μόνο για την περίπτωση όπου η ταχύτητα του αέρα ισούται με 5m/s. [102]

103 Ταχύτητα αέρα U air = 5m/s Όπως παρατηρείται από το Σχήμα 5.35, όταν η ταχύτητα του αέρα τίθεται ίση με 5 m/s, η ροή του ρυπαντή κατευθύνεται προς τη συστάδα των κτιρίων και προσκρούει την μπροστινή επιφάνεια του μεμονωμένου κτιρίου, το οποίο βρίσκεται στην πρώτη σειρά των κτιρίων του μοντέλου. Στη συνέχεια, η ροή διασπάται και διοχετεύεται ανάμεσα στα κενά που δημιουργούν τα κτίρια. Συμπεραίνεται ότι το μεμονωμένο κτίριο λόγω του μεγέθους και της θέσης του λειτουργεί ως ασπίδα για τα υπόλοιπα κτίρια καθώς η ροή του ρύπου «σκάει» στην επιφάνεια του με αποτέλεσμα μικρό μέρος της μόλυνσης να επηρεάζει άμεσα τα υπόλοιπα κτίρια. a) b) Σχήμα 5.35: Κατανομή του CO 2 στο 4 o μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines Παρακάτω παρουσιάζεται η κατανομή του Διοξειδίου του Άνθρακα με Pathlines ως υπολογιστικό τρόπο ορατοποίησης της συμπεριφοράς της ροής αέραρύπου ώστε να γίνουν κατανοητά τα φαινόμενα ανακυκλοφορίας και τύρβης που εντοπίζονται στις κοιλότητες του κτιριακού συγκροτήματος (Σχ.5.36). Το πρώτο κτίριο με διπλάσιο ύψος από τα υπόλοιπα λειτουργεί ως «προστατευτική ομπρέλα» κατά της ρύπανσης για τα υπόλοιπα κτίρια με αποτέλεσμα τα σωματίδια του ρυπαντή να μην διοχετεύονται στα ανοίγματα της οδικής χαράδρας και συγκεκριμένα ανάμεσα στα κτίρια. Συνεπώς, δεν εντοπίζεται πληθώρα δινών και στροβίλων ανακυκλοφορίας όπως στα προηγούμενα μοντέλα. [103]

104 Σχήμα 5.36: Ορατοποίηση του πεδίου ροής αέρα-co 2 στο 4 ο μοντέλο γεωμετρίας της οδικής χαράδρας :Ρυπαντής NO 2 Παρακάτω παρουσιάζεται η διασπορά του ρύπου Διοξείδιο του Αζώτου (NO 2 ) στο 4 ο μοντέλο γεωμετρίας της αστικής χαράδρας. Ταχύτητα αέρα U air = 5m/s Όταν η ταχύτητα του αέρα τίθεται ίση με 5m/s, η ροή του ρύπου ακολουθεί πορεία παρόμοια με αυτή των προηγούμενων πειραμάτων. Λόγω της πυκνότητας του Διοξειδίου του Αζώτου, η οποία είναι χαμηλότερη από αυτή του αέρα, η ροή οδηγείται προς τα υψηλότερα επίπεδα της αστικής χαράδρας, επηρεάζοντας έμμεσα τα κτίρια (Σχ.5.37). a) b) Σχήμα 5.37: Κατανομή του NO 2 στο 4 o μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines [104]

105 Στο συγκεκριμένο μοντέλο, λόγω της ύπαρξης του ψηλού κτίσματος μπροστά από το συγκρότημα των κτιρίων, η ροή του ρύπου και το νέφος της ρύπανσης δεν εγκλωβίζεται στα ανοίγματα των κτιρίων αλλά διοχετεύεται στα άκρα της οδικής χαράδρας σε περιοχές δηλαδή μακριά από τα κτίρια. Μια τέτοια εφαρμογή κτιρίου- «ασπίδας» θα ήταν μια αποδοτική λύση (χωρίς να έχει ληφθεί υπόψη το κόστος κτήσης) για την προστασία των κτιρίων καθώς τα σωματίδια του ρύπου δεν έρχονται σε επαφή με το περιβάλλον του συγκροτήματος : 5 o Μοντέλο Γεωμετρίας Το 5 ο και τελευταίο μοντέλο γεωμετρίας της αστικής χαράδρας που εξετάζεται σε αυτή την μελέτη είναι ανεξάρτητο από το αρχικό, δεν αποτελεί δηλαδή παραλλαγή του όπως τα προηγούμενα, και θεωρείται το πιο περίπλοκο. Τα κτίρια δεν έχουν ορθογώνιο σχήμα όπως στα προηγούμενα μοντέλα αλλά το καθένα αποτελείται από διάφορα γεωμετρικά σχήματα τα οποία σχηματίζουν μικρά κενά και αιχμηρές ακμές. Σε αυτή την πρότυπη γεωμετρία υπάρχουν μόνο τέσσερα (4) κτίρια. Στο μπροστινό μέρος του μοντέλου εντοπίζεται κτίριο το οποίο έχει τριγωνικό σχήμα, στη συνέχεια, στη μεσαία σειρά τοποθετούνται δύο (2) συμμετρικά κτίρια εκατέρωθεν του μπροστινού κτιρίου και στην τρίτη σειρά τοποθετείται το τελευταίο κτίριο της γεωμετρίας. Το ύψος του πρώτου και του τέταρτου κτιρίου είναι 12 μέτρα διπλάσιο από το ύψος των άλλων δύο κτιρίων :Ρυπαντής CO 2 Αρχικά, στο 5 ο μοντέλο γεωμετρίας, εξετάζεται η ροή του ρύπου Διοξείδιο του Άνθρακα (CO 2 ) με ταχύτητα ρύπου U pol =0.5 m/s στις διάφορες ταχύτητες του αέρα. Ταχύτητα αέρα U air = 3m/s Όσον αφορά τη ροή της ρύπανσης που προκαλείται από τον ρύπο CO 2, με ταχύτητα αέρα ίση με 3 m/s, οπτικοποιείται και παρουσιάζεται στο Σχήμα Παρατηρείται ότι η ροή του ρυπαντή παγιδεύεται στα κατώτερα τμήματα της αστικής χαράδρας και επηρεάζει άμεσα πρώτο κτίριο, στην επιφάνεια του οποίου προσκρούει και στη συνέχεια διασπάται και εγκλωβίζεται στα διάφορα ανοίγματα που δημιουργούνται από τα κτίρια. Η ροή της μόλυνσης επηρεάζει και τα κτίρια στη δεύτερη σειρά καθώς λόγω του σχήματος τους, υψηλή συγκέντρωση μόλυνσης και φαινόμενα ανακυκλοφορίας εντοπίζονται στις κοιλότητες των κτιρίων. [105]

106 Η υπόθεση αυτή είναι ένα από τα χειρότερα σενάρια της ανακυκλοφορίας της ρύπανσης του αέρα διότι η ροή της ρύπανσης επηρεάζει άμεσα τον περιβάλλοντα χώρο των κτιρίων. Σχήμα 5.38:Κατανομή του CO 2 στο 5 o μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 3 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines Στη συνέχεια, στο μοντέλο γεωμετρίας της οδικής χαράδρας που εξετάζεται, τοποθετήθηκαν γραμμές σε διάφορα ύψη για τη μέτρηση της ταχύτητας του ανέμου σε διαφορετικά μήκη της οδικής χαράδρας (Σχ.5.39). Τα ύψη που επιλέχθηκαν για την τοποθέτηση των γραμμών είναι 0.5m, 3m, 6m, 9m και 12m. Η επιλογή των υψών δεν ήταν τυχαία καθώς αφορούν το επίπεδο του δρόμου όπου κινούνται οι άνθρωποι και το οποίο συγκεντρώνει το μεγαλύτερο ποσοστό ρύπανσης με έντονα τα φαινόμενα ανακυκλοφορίας όπως επίσης και το επίπεδο των κτιρίων όπου ζουν οι άνθρωποι και επηρεάζονται άμεσα από τις επιπτώσεις της ρύπανσης. [106]

107 y=12 m y=9 m y=6 m y=3 m y=0.5 m Σχήμα 5.39: Τοποθέτηση γραμμών για την αριθμητική απεικόνιση της συμπεριφοράς του πεδίου ροής Από τις παραπάνω γραμμές προκύπτει το διάγραμμα της ταχύτητας του ανέμου-ρύπου με την απόσταση σε μέτρα (meters) του μήκους της οδικής χαράδρας που διανύει το νέφος του ρύπου και παρουσιάζεται παρακάτω (Σχ.5.40). [107]

108 Σχήμα 5.40: Διάγραμμα της ταχύτητας της ροής σε συνάρτηση με το μήκος της οδικής χαράδρας Οι χρωματιστές γραμμές του διαγράμματος απεικονίζουν τα διάφορα ύψη στα οποία εξετάζεται η ταχύτητα του αέρα σε συνάρτηση με το μήκος. Τα δυο κενά που εμφανίζονται στο διάγραμμα αντιπροσωπεύουν το ύψος y=12m όπου η ροή προσκρούει κάθετα στα δύο κτήρια που βρίσκονται κατά μήκος της και πιο συγκεκριμένα το πρώτο και το τέταρτο κτίριο του συγκροτήματος. Όταν η ροή αέραρύπου προσκρούει σε αυτά η ταχύτητα φαίνεται να παίρνει μηδενικές τιμές και όταν περάσει το κτίριο αποκτά και πάλι ταχύτητα. Η ροή εμφανίζει έντονες διακυμάνσεις στα ύψη 0.5m, 3m και 6m ενώ πάνω από το ύψος των κτιρίων η ροή χαρακτηρίζεται πιο ομαλή. Έντονα φαινόμενα ανακυκλοφορίας εντοπίζονται στην περιοχή ανάμεσα από τα δύο κτίρια όπου υπάρχει και δημιουργία δινών και στροβίλων που επηρεάζουν τη διασπορά των ρύπων. Εξετάζεται η συμπεριφορά της ροής αέρα-ρύπου όταν έρχεται σε επαφή με τις οροφές των δύο κτιρίων που βρίσκονται κάθετα στη διεύθυνσης της για πιθανή εμφάνιση του φαινόμενου της αποκόλλησης. Το Σχήμα [108]

109 5.41 παρουσιάζει τη συμπεριφορά της ροής στα τοιχώματα των οροφών όπου διαπιστώνεται η ομαλότητα της ροής στο πρώτο κτίριο λόγω του τριγωνικού σχήματός του και της γωνίας του όπου προσκρούει η ροή και διασπάται εντονότερα με αποτέλεσμα να μειώνεται η σφοδρότητα της πρόσκρουσης. Όσον αφορά στο τελευταίο κτίριο εντοπίζεται μια πιθανή εμφάνιση αποκόλλησης λόγω απότομης αλλαγής στη γεωμετρία με την ταχύτητα να λαμβάνει πιθανώς αρνητικές τιμές. Σχήμα 5.41: Η συμπεριφορά της ροής στις οροφές των κτιρίων [109]

110 Τα επόμενα σχήματα (Σχ.5.42 & Σχ.5.43 ) απεικονίζουν το πεδίο ροής αέρα και ρύπου όσον αφορά την ταχύτητα της ροής όπου εντοπίζονται οι περιοχές που χαρακτηρίζονται από ομαλότητα ροής και οι περιοχές τύρβης. Σχήμα 5.42: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα (vectors) Σχήμα 5.43: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα (contour) [110]

111 Από τα παραπάνω σχήματα διαπιστώνεται η ύπαρξη τριών στροβίλων ανακυκλοφορίας, δύο στην υπήνεμη πλευρά του πρώτου και του μεσαίου κτιρίου με αντίθετη φορά μεταξύ τους και ενός κύριου στροβίλου στην υπήνεμη πλευρά του τελευταίου κτιρίου όπου συγκεντρώνονται τα σωματίδια του ρύπου που δεν εγκλωβίστηκαν στα ανοίγματα του συγκροτήματος των κτιρίων. Μη ομαλότητα της ροής παρατηρείται επίσης στην οροφή του τελευταίου κτιρίου, όταν η ροή έρχεται σε επαφή με το τοίχωμά της ενώ στην περιοχή πάνω από τα κτίρια και προς τα υψηλότερα στρώματα της οδικής χαράδρας η ροή ομαλοποιείται. Γίνεται εύκολη και κατανοητή η συμπεριφορά της ροής και διασποράς των ρύπων εντός της οδικής χαράδρας. Συμπεραίνεται ότι η ροή της ρύπανσης εγκλωβίζεται στα κατώτερα στρώματα της χαράδρας όπου παρατηρούνται οι στρόβιλοι και οι δίνες ανακυκλοφορίας της ροής. Το παρακάτω σχήμα (Σχ.5.44) απεικονίζει το σχηματισμό του ροϊκού πεδίου στις διάφορες τιμές της ταχύτητας ροής από την έμπροσθεν πλευρά της οδικής χαράδρας και παρόμοια με το Σχήμα 5.43 οι αριθμοί που εμφανίζονται στις διάφορες περιοχές διαστρωμάτωσης της ταχύτητας αντιπροσωπεύουν την αντίστοιχη τιμή της ταχύτητας από την κλίμακα ταξινόμησης. Σχήμα 5.44: Κατανομή της ταχύτητας της ροής στην οδική χαράδρα από την έμπροσθεν πλευρά της οδικής χαράδρας (contour) Τέλος, η οπτικοποίηση της διασποράς του ρύπου (CO 2 ) συμβάλλει στον εντοπισμό των περιοχών όπου αναπτύσσονται φαινόμενα ανακυκλοφορίας. Το Σχήμα 5.45 παρέχει με μεγαλύτερη λεπτομέρεια την εικόνα που παρουσιάζει η συμπεριφορά της ροής του ρύπου καθώς διοχετεύεται ανάμεσα στα κτίρια. Διακρίνονται με [111]

112 ευκολία οι περιοχές εγκλωβισμού των σωματιδίων του ρύπου λόγω της ανάπτυξης φαινομένων ανακυκλοφορίας. Σχήμα 5.45: Ορατοποίηση του πεδίου ροής αέρα-co 2 στο 5 ο μοντέλο γεωμετρίας της οδικής χαράδρας Λόγω του μεγάλου ύψους των κτιρίων (Η=12m) οι βρόχοι τύρβης αναπτύσσονται σε ανώτερα επίπεδα της οδικής χαράδρας σε σύγκριση με τις δίνες ανακυκλοφορίας των κτιρίων με ύψος H=6m που αναπτύσσονται στο επίπεδο του δρόμου. Ταχύτητα αέρα U air = 5m/s Το επόμενο σχήμα (Σχ.5.46) παρουσιάζει την κατανομή του ίδιου ρύπου για τη δεύτερο ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s. Η διαφορά σε αυτή την περίπτωση είναι ότι η ροή του ρύπου δεν είναι παγιδευμένη στο κάτω μέρος του μοντέλου της αστικής χαράδρας, αλλά επηρεάζει τα υψηλότερα τμήματα. Στη συνέχεια, η ροή της ρύπανση [112]

113 ακολουθεί την ίδια διαδρομή όπως και στην προηγούμενη περίπτωση και εγκλωβίζεται μέσα στις κοιλότητες των κτιρίων. Τέλος, μια τελευταία σημαντική παρατήρηση είναι η δημιουργία των τεσσάρων δινών ανακυκλοφορίας του αέρα που παρατηρούνται σε κάθε πλευρά καθώς και πίσω από το κτιριακό συγκρότημα της τρίτης σειράς. Σχήμα 5.46: Κατανομή του CO 2 στο 5 o μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines :Ρυπαντής NO 2 Όσον αφορά την κατανομή της ροής του ρύπου Διοξείδιο του Αζώτου (NO 2 ) στο 5 ο μοντέλο γεωμετρίας της αστικής χαράδρας παρουσιάζεται παρακάτω για τις διάφορες ταχύτητες του αέρα. Ταχύτητα αέρα U air = 3m/s Στο Σχήμα 5.47 απεικονίζεται η ροή του NO 2 με ταχύτητα αέρα ίση με 3m/s. Ο αέριος ρύπος τείνει να οδηγείται προς το ανώτερο τμήμα του μοντέλου, πάνω από τα κτίρια χωρίς να προσκρούει σε αυτά επηρεάζοντάς τα έμμεσα. Στην περίπτωση αυτή, η χαρακτηριστική δίνη του προηγούμενου πειράματος με ρύπο CO 2, δεν έχει δημιουργηθεί καθώς από άποψη πυκνότητας ο ρύπος CO 2 είναι βαρύτερος και παγιδεύεται στο επίπεδο των κτιρίων. [113]

114 Σχήμα 5.47: Κατανομή του NO 2 στο 5 o μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 3 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines Ταχύτητα αέρα U air = 5m/s Οι εξαγωγές του ρύπου NO 2, όταν η ταχύτητα του αέρα τίθεται ίση με 5 m/s, έχει ως αποτελέσματα η διασπορά της ροής να παρουσιάζει παρόμοια συμπεριφορά με την προηγούμενη περίπτωση. Η ροή της ρύπανσης φαίνεται να είναι πιο διασκορπισμένη και τείνει να κατευθύνεται στο ανώτατο επίπεδο της αστικής χαράδρας (Σχ.5.48). Σχήμα 5.48: Κατανομή του NO 2 στο 5 o μοντέλο γεωμετρίας με ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s a) Volume Fraction b) Velocity Streamlines [114]

115 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Περίπου το 50% του παγκόσμιου πληθυσμού ζει και εργάζεται σε αστικά κέντρα. Η συνεχής χρήση των αυτοκινήτων, οι βιομηχανικές εκπομπές ρύπων και οι εκπομπές από την κεντρική θέρμανση των κτιρίων είναι κάποια από τα αίτια υποβάθμισης του περιβάλλοντος και της ποιότητας ζωής των κατοίκων των πόλεων. Η διερεύνηση των χαρακτηριστικών της ροής και της διασποράς των ρύπων μέσα σε αστικές χαράδρες πόλεων αποτελεί αντικείμενο έρευνας αρκετών μελετών τόσο σε θεωρητικό όσο και σε πειραματικό επίπεδο. Η παρούσα διπλωματική εργασία στοχεύει στη μελέτη του πεδίου ροής και της διασποράς των ρύπων σε αστική οδική χαράδρα σε πέντε (5) μοντέλα γεωμετρίας με πηγή ρύπανσης μια καμινάδα τοποθετημένη μπροστά από το συγκρότημα των κτιρίων. Στο παρόν κεφάλαιο επιχειρείται η σύνοψη των αποτελεσμάτων και συμπερασμάτων που εξήχθησαν από τη μελέτη. Για την ορθή εξαγωγή των συμπερασμάτων απαιτείται εκτεταμένη βιβλιογραφική επισκόπηση ώστε να ληφθεί μια ολοκληρωμένη εικόνα για την επιστημονική γνώση που έχει καταγραφεί από την επιστημονική κοινότητα για το συγκεκριμένο ζήτημα. Για τον εξής λόγο, αρχικά, αναφέρθηκαν οι παράγοντες που επηρεάζουν το αστικό κλίμα καθώς και τα χαρακτηριστικά της ροής και των αστικών οδικών χαραδρών. Στην συνέχεια, έγινε η περιγραφή των μαθηματικών μοντέλων και εξισώσεων που διέπουν το πεδίο ροής σύμφωνα με τη διεθνή βιβλιογραφία και επιλέχθηκε το κατάλληλο μοντέλο για την εκτέλεση των πειραμάτων. Παρακάτω παρουσιάζονται τα συμπεράσματα από τα αποτελέσματα των πειραμάτων για το πεδίο ροής της οδικής χαράδρας. 6.2 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΩΝ Το Κεφάλαιο 5 είναι αφιερωμένο στην διερεύνηση και οπτικοποίηση του ροϊκού πεδίου που λαμβάνει χώρα στο υπό μελέτη γεωμετρικό μοντέλο της οδικής χαράδρας. Τα κύρια χαρακτηριστικά που επηρεάζουν τη ροή μέσα στη χαράδρα είναι η ταχύτητα του ελευθέρου ανέμου πάνω από τα κτίρια και η γεωμετρία των κτιρίων. Στη συγκεκριμένη μελέτη η ταχύτητα του ανέμου λαμβάνει τέσσερις διαφορετικές τιμές οι οποίες είναι οι 1m/s, 3m/s, 5m/s και 10m/s και εξετάζονται πέντε διαφορετικά μοντέλα γεωμετρίας της χαράδρας. Όταν ο άνεμος λαμβάνει τιμή u air =1m/s χαρακτηρίζεται ασθενής και το ροϊκό πεδίο δεν εμφανίζει αξιοσημείωτα αποτελέσματα καθώς η έκταση της διασποράς των [115]

116 ρύπων δεν είναι εκτενής ώστε να επηρεάζει τα κτίρια και τη βιωσιμότητα των κατοίκων. Επίσης, η ροή και διασπορά των ρύπων, όταν η ταχύτητα του αέρα ισούται με u air =10 m/s, δεν εμφανίζει σημεία ενδιαφέροντος προς συζήτηση και ανάλυση καθώς η ένταση του ανέμου είναι τέτοια που δεν επηρεάζει το επίπεδο του δρόμου αλλά εκτείνεται σε ανώτερα επίπεδα με αποτέλεσμα να μην επηρεάζεται το συγκρότημα των κτιρίων. Η παραπάνω συμπεριφορά των ρύπων είναι παρόμοια και στους τρεις ρυπαντές που εξετάσθηκαν. Για τους εξής λόγους, η παρούσα μελέτη δεν επικεντρώνεται και δεν αναλύει τη ροή και διασπορά των ρύπων στην οδική χαράδρα για τις συγκεκριμένες ταχύτητες ανέμου. Οι υπόλοιπες δύο περιπτώσεις όπου η ταχύτητα του αέρα λαμβάνει τιμές u air =3 m/s και u air =5 m/s, αναλύονται και οπτικοποιούνται για την κατανόηση ης διασποράς των ρύπων και τα φαινόμενα ανακυκλοφορίας και τύρβης που λαμβάνουν χώρα στο ροϊκό πεδίο. Η ανάλυση και διερεύνηση του πεδίου ροής και διασποράς των ρύπων σε αστική οδική χαράδρα οδήγησε στα παρακάτω ενδιαφέροντα συμπεράσματα: Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά μεταξύ της πυκνότητας των ρύπων και της πυκνότητας του αέρα, παρατηρείται έντονη κίνηση της ροής των ρύπων στον κάθετο άξονα η οποία είτε αναρριχείται στο επάνω μέρος τα οδικής χαράδρας είτε διασκορπίζεται στα κατώτερα στρώματα της (στο επίπεδο του δρόμου). Η πυκνότητα του ρύπου επηρεάζει επίσης τη διασπορά του. Όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα του ρύπου τόσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή διασποράς του νέφους του ρύπου. Σε δεδομένη ταχύτητα ροής του αέρα, η διασπορά των ρύπων με χαμηλή πυκνότητα είναι ταχύτερη από εκείνη των ρύπων με μεγαλύτερη πυκνότητα. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του δρόμου και των κτιρίων φαίνεται να επηρεάζουν το πεδίο ροής αέρα και ρύπων εντός της οδικής χαράδρας. Όσο πιο περίπλοκη είναι η γεωμετρία της αστικής χαράδρας τόσο πιο έντονη είναι η επίδραση της μόλυνσης. Οι εξοχές των κτιρίων καθώς και οι κοιλότητες και τα ανοίγματα δημιουργούν επιπρόσθετα φαινόμενα ανακυκλοφορίας και τύρβης και λόγω αυτών η διασπορά των ρύπων χαρακτηρίζεται ως ανησυχητική καθώς η ρύπανση επηρεάζει άμεσα το περιβάλλον και τους κατοίκους μέσα στα δομικά στοιχεία. Οι ταχύτητες του αέρα 3m/s και 5m/s συγκεντρώνουν αξιόλογα αποτελέσματα καθώς η ροή εμφανίζει έντονα φαινόμενα ανακυκλοφορίας με δημιουργία δινών και στροβίλων ενώ αντίθετα η ροή του ρυπαντή στις ταχύτητες 1m/s και 10m/s δεν επηρεάζει άμεσα και σοβαρά την αστική οδική χαράδρα και τους κατοίκους αυτής. [116]

117 Στην πλειοψηφία των περιπτώσεων ο ρύπος συγκεντρώνεται στο επίπεδο του δρόμου όπου εκατέρωθεν των κτιρίων δημιουργούνται στρόβιλοι ανακυκλοφορίας. Στην περίπτωση όπου η γεωμετρία των κτιρίων εμφανίζει προεξοχές και κοιλότητες τότε επιπρόσθετα φαινόμενα ανακυκλοφορίας εμφανίζονται καθώς η ροή του ρύπου εγκλωβίζεται σε αυτά τα ανοίγματα. Στις κανονικές οδικές χαράδρες όπου H/W=1, ανάμεσα σε δύο κτίρια στην υπήνεμη πλευρά του ανάντη κτιρίου δημιουργείται ένας κύριος στρόβιλος ανακυκλοφορίας και δύο μικρότεροι βρόχοι στις γωνίες των κτιρίων εκατέρωθεν του κύριου στροβίλου. Αυτή η διαπίστωση έρχεται σε συμφωνία με τη μελέτη του Ν. Κουτσουράκη με θέμα «Ροή και Διασπορά Ρύπων σε Οδικές Χαράδρες: Ανασκόπηση» η οποία δημοσιεύτηκε το Για την αποφυγή του φαινομένου αποκόλλησης στις οροφές των κτιρίων προτείνεται τα κτίρια με επίπεδες οροφές να έχουν κλίση κατά τη διεύθυνση της ροής για τη μείωση της σφοδρότητας της πρόσκρουσης στα τοιχώματα του κτιρίου. Οι περιπτώσεις όπου τα κτίρια είχαν ορθογώνιο σχήμα κάθετα στη ροή αέρα-ρύπου εμφάνιζαν τάση για αποκόλληση της ροής από το τοίχωμα και πιο συγκεκριμένα το φαινόμενο της «φυσαλίδας αποκόλλησης». 6.3 ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ Η ποιότητα του αέρα σε αστικές οδικές χαράδρες, είναι μείζονος σημασίας καθώς τα υψηλότερα ποσοστά ρύπανσης συγκεντρώνονται σε αυτό το είδος των δρόμων. Οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν αφορούσαν το πεδίο ροής τριών ρύπων και του αέρα σε οδική χαράδρα με ουδέτερες συνθήκες θερμοκρασίας για διαφορετικές ταχύτητες ανέμου σε διαφορετικά μοντέλα γεωμετρίας με τη ροή κάθετη στα κτίρια. Η μελέτη και διερεύνηση της διασποράς των ρύπων είναι ποιοτική μέσω της εξαγωγής σχημάτων που απεικονίζουν και προσομοιάζουν το πεδίο ροής καθώς και ποσοτική με την κατάλληλη εξαγωγή διαγραμμάτων για ευκολότερη κατανόηση των διεργασιών του ροϊκού πεδίου. Η διερεύνηση του πεδίου ροής σε οδική χαράδρα που πραγματοποιήθηκε αποτελεί μια πρώτη προσπάθεια κατανόησης της αλληλεπίδρασης της ροής και της γεωμετρίας της χαράδρας. Μπορούν να υπάρξουν περαιτέρω προεκτάσεις της έρευνας με διαφορετικά μοντέλα γεωμετρίας και διαφορετικούς συντελεστές επίδρασης στη ροή. Προτείνεται επίσης ως επόμενο μοντέλο [117]

118 διερεύνησης της ροής και διασποράς των ρύπων το species transport γνωστό και ως scalar transport. Μια ιδέα για επέκταση της εργασίας είναι η προσομοίωση του πεδίου ροής στην περίπτωση όπου τα κτίρια έχουν κεκλιμένες σκεπές. Η μορφή που έχουν οι στέγες των κτιρίων επιδρά σε σημαντικό βαθμό στην τελική διαμόρφωση της ροής μέσα στη χαράδρα καθώς και την απαγωγή των ρύπων απ αυτήν. Η συγκεκριμένη μελέτη μπορεί να επεκταθεί με συνθήκες θερμοκρασιακής διαστρωμάτωσης για διεξαγωγή πειραμάτων που θα προσομοιάζουν τη ροή κατά τη διάρκεια της ημέρας και κατά τη διάρκεια της νύχτας. Θα μπορούσε δηλαδή να προστεθεί μια ακόμα μεταβλητή στη μελέτη η οποία θα αφορούσε τη θερμοκρασία της αστικής οδικής χαράδρας και την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας στη διασπορά των ρύπων. Μια αλλαγή της θερμοκρασιακής κατάστασης της οδικής χαράδρας είναι πιθανόν να οδηγήσει σε αλλαγή της μονιμότητας του πεδίου ροής και των τυρβωδών διακυμάνσεων. Μια άλλη παραλλαγή και επέκταση της παρούσας εργασίας είναι η μετατόπιση της πηγής της ρύπανσης δηλαδή της καμινάδας σε διάφορες πιθανές θέσεις. Μια ενδιαφέρουσα πρόταση είναι η τοποθέτηση της καμινάδας εντός της αστικής οδικής χαράδρας και στο μέσο αυτής ώστε να μελετηθεί η συμπεριφορά του πεδίου ροής και διασποράς των ρύπων στα κτίρια όπισθεν και έμπροσθεν της καμινάδας στις διάφορες κατευθύνσεις ανέμου. Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία μπορεί να αποτελέσει υπόβαθρο για περαιτέρω έρευνα πάνω στη ροή και διασπορά των ρύπων σε οδική χαράδρα με διάφορες παραλλαγές για τη διεξαγωγή των πειραμάτων και των αριθμητικών μετρήσεων. [118]

119 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο τη διερεύνηση του πεδίου ροής αέρα και ρύπου εντός μιας οδικής χαράδρας για διάφορα μοντέλα γεωμετρίας. Για τη διεξαγωγή και ολοκλήρωση της μελέτης εξετάσθηκαν ορισμένες διαφοροποιήσεις των μοντέλων γεωμετρίας και ρύπων που αναλύθηκαν προηγουμένως αλλά δεν παρουσιάσθηκαν καθώς τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων δεν κρίθηκαν ιδιαίτερα ενδιαφέροντα ή επιλέχθηκε η έρευνα να μην εμβαθύνει στα συγκεκριμένα μοντέλα. Κρίνεται όμως χρήσιμο να αναφερθούν αυτές οι τροποποιήσεις καθώς αποτελούν κομμάτι της μελέτης και μπορούν να αποτελέσουν βοήθημα για μια μελλοντική έρευνα. Μια τροποποίηση του αρχικού μοντέλου γεωμετρίας της αστικής οδικής χαράδρας ήταν η μείωση του ύψους της καμινάδας στο ένα μέτρο (Η καμινάδας =1m). Το μοντέλο εξετάσθηκε για τον ρύπο Διοξείδιο του Άνθρακα και για τις ταχύτητες αέρα u air =3m/s και u air =5m/s. Η ροή αέρα-ρύπου στη συγκεκριμένη περίπτωση διασκορπιζόταν στο τμήμα της οδικής χαράδρας που βρίσκεται ανάμεσα στην καμινάδα και στην πρώτη σειρά κτιρίων. Πιο συγκεκριμένα, τα σωματίδια των ρύπων δεν διοχετεύονταν εντός του κτιριακού συγκροτήματος με αποτέλεσμα η ρύπανση να μην απειλεί άμεσα όλα τα κτίρια. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης παρουσιάζονται στα Σχήματα Π.1 και Π.2. Σχήμα Π.1: Διασπορά του CO 2 στην οδική χαράδρα με Η καμινάδας =1m για ταχύτητα αέρα U air = 3 m/s (Volume Fraction) [119]

120 Σχήμα Π.2: Διασπορά του CO 2 στην οδική χαράδρα με Η καμινάδας =1m για ταχύτητα αέρα U air = 5 m/s (Volume Fraction) Μια ακόμη παραλλαγή του αρχικού μοντέλου που εξετάσθηκε αφορά το μοντέλο γεωμετρίας όπου όλα τα κτίρια του συγκροτήματος έχουν διπλάσιο ύψος από αυτά του αρχικού μοντέλου δηλαδή Η=12m ενώ το ύψος της καμινάδας παραμένει ίσο με 6m. Η προσομοίωση πραγματοποιείται για τον ρύπο διοξείδιο του Άνθρακα (CO 2 ) και για ταχύτητα αέρα ίση με 3m/s. Από την απεικόνιση του πεδίου ροής παρατηρείται ότι το νέφος της ρύπανσης δηλαδή η ροή αέρα-ρύπου προσκρούει στην επιφάνεια του μεσαίου κτιρίου της πρώτης σειράς, το οποίο δέχεται άμεσα τις επιπτώσεις της ρύπανσης, και στη συνέχεια τα σωματίδια του ρύπου διοχετεύονται ανάμεσα στα κτίρια του συγκροτήματος. Τα παρακάτω σχήματα παρουσιάζουν την οπτικοποίηση του ροϊκού πεδίου και πιο συγκεκριμένα το Σχήμα Π.3 απεικονίζει τη διασπορά του CO 2 στην οδική χαράδρα ενώ το Σχήμα Π.4 τη συμπεριφορά της ροής αέρα-ρύπου και των φαινομένων ανακυκλοφορίας που λαμβάνουν χώρα εντός του κτιριακού συγκροτήματος. [120]

121 Σχήμα Π.3: Διασπορά του CO 2 στην οδική χαράδρα με Η κτιρίων =12m για ταχύτητα αέρα U air = 3 m/s (Volume Fraction) Σχήμα Π.4: Ορατοποίηση του πεδίου ροής αέρα-ρύπου CO 2 στην οδική χαράδρα με Η κτιρίων =12m για ταχύτητα αέρα U air = 3 m/s [121]