Dr. Lajos Tamás*, Goricsán István**, Lohász Máté Márton**, Régert Tamás***, Balczó Márton***

Átírás

1 VÁROSOK LÉGSZENNYEZETTSÉGÉNEK, VALAMINT ÉPÜLETEK ÉS SZERKEZETEK SZÉLTERHELÉSÉNEK MEGHATÁROZÁSA SZÉLCSATORNA-VIZSGÁLATTAL ÉS AZ ÁRAMLÁS NUMERIKUS SZIMULÁCIÓJÁVAL Dr. Lajos Tamás*, Goricsán István**, Lohász Máté Márton**, Régert Tamás***, Balczó Márton*** BEVEZETÉS A BME Áram lás tan Tan szé kén az el múlt 3 év ben ki fejlesz tet ték, és szá mos ha zai és kül föl di szer ve zet meg bí zá sából si ker rel al kal maz ták azo kat a szél csa tor na mo dell kí sérlet re és az áram lás nu me ri kus szi mu lá ció já ra ala pu ló vizsgá la ti mód sze re ket, ame lyek kel vá ro sé pí té si és köz le ke dés - szer ve zé si vál to zá sok kör nye zõ vá ros ré szek le ve gõ szennyezett sé gé re és át szel lõ zé sé re gya ko rolt ha tá sa, va la mint az épü le tek re, szer ke ze tek re ha tó szél ter he lés nagy meg bíz ható ság gal elõ re je lez he tõ. E mód sze rek, mint szol gál ta tá sok év ben IN DUST RIA Nagy díj ban ré sze sül tek. Ez a köz le mény össze fog lal ja a vizs gá la ti mód sze rek elvi alapjait és gya kor la ti meg va ló sí tá su kat. A vá ro sok lég szennye zettségét befolyásoló városépítési és köz le kedésszervezési változások elõre jelzésének fon tosságát különösen kiemeli, hogy a vá rosokban la kók száma és a for galom által okozott légszennyezettség folyamatosan nõ, valamint az, hogy a klí maváltozás az életminõséget hát rányosan befolyásoló következményekkel jár. Az épü letekre, szerkezetekre ha tó szélerõ-méréssel, vagy -számítással történõ meghatározása pedig azért fon tos, mert a szél terhelés pontos elõrejelzése lehetõvé teszi mind a szabvány al kalmazásából sokszor következõ túlméretezést, mind pe dig a szokatlan alakú épületeknél esetlegesen bekövetkezõ túlterhelés és az ebbõl adódó katasztrófák megelõzését. A két, kü lönbözõ célú vizsgálati módszert az alkalmazott eszközök: a szél csatorna modellkísérletek, az atmoszférikus határréteg áramlásának fizikai és numerikus modellezése köti össze. A SZÉLCSATORNA ÉS AZ ATMOSZFÉRIKUS HATÁRRÉTEG MODELLEZÉSE A szél csa tor na-vizs gá la tok meg ha tá ro zott mo delltörvények betartása esetén alkalmasak a vá rosrészekben vár ható áramlási viszonyok, a szennyezõanyag-ter je dé si fo lya ma tok, a szennye zõ a nyag kon cen trá cióelo szlás, valamint a szél nek ki tett épü letek, szerkezetekre ha tó erõk szük séges pontossággal történõ meghatározására, ezért szé les körben elterjedtek. * egyetemi tanár, Budapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Áramlástan Tanszék ** egyetemi tanársegéd, Budapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Áramlástan Tanszék *** PhD-hallgató, Budapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Áramlástan Tanszék Lektorált cikk. A terjedési folyamatok és a szélterhelés szélcsatorna-vizs gá la tá hoz elõ ször a talaj fe let ti lég ré teg ben kialakuló ún. atmoszférikus határréteg-áramlást kell szimulálni, ami azt jelen ti, hogy a szél csatorna mérõterében létre kell hozni a valóságban a ta lajfelszín fölött kialakuló áramlásnak megfelelõ sebesség- és tur bulencia-elo szlást. Az 1. ábrán látható az Áram lástan Tanszék Kármán Tó dor Szél csa tor na Labo ra tó riu ma víz szin tes re cirkulációs szélcsatorná ja. A 30 m 12 m alapterületû berendezés max. 600 kw teljesítményû ventilátorával km/h kö zött egyen le tes se bes ség me gosz lá sú és kis tur bulenciájú áramlás állítható elõ a 2,6 m átmérõ jû és 4 m hosszú sá gú mé rõ tér ben. A szél csa tor na konfúzorában elhe lye zett rács és a 2,5 m szé les és 5,7 m hosszú ta lajt szi muláló síklapon elhelyezett érdességi elemek se gítségével (ld. 2. ábra) különbözõ (pl. elõvárosi, városi) atmoszférikus határréteg áramlások hozhatók létre. A 3. ábrán látható példaként a városi atmoszférikus határréteg szélcsatornában modellezett füg gõleges menti se besség- és turbulenciafok megoszlása [1]. 1. ábra. Az Áramlástan Tanszék vízszintes recirkulációs szélcsatornája 2. ábra. A szélcsatorna konfúzorában lévõ rács és a mérõtérben elhelyezett érdességi elemek GÉP, LVI. évfolyam, SZÁM 3

2 3. ábra. A mérõtérben modellezett városi határréteg-sebesség és turbulencia megoszlása A SZENNYEZÕ TERJEDÉS MODELLEZÉSE ÉS A SZÉLKOMFORT VIZSGÁLATA SZÉLCSATORNÁBAN Az 1. ábrán látható a mérõtérben elhelyezkedõ, a talajt szi mu lá ló, 2,5 m szé les sé gû, 5,7 m sík lap, amelyben egy 2 m átmérõjû, forgatható körasztal helyezkedik el. Er re épí tet tük fel a mo del lezett városrész 1:500 mé retarányú modelljét (a Millenniumi városközpont és környezete modelljét a Petõfi és Lágymányosi híd mo delljével a 4. ábra mu tat ja). A mo del le z et t t e r ü let átmérõ je a va lóságban 1 km. A 4. ábrán látható esetben a vizsgálatok feladata annak a ha tás nak az elõ re jel zé se volt, ame lyet a Vá rosközpont felépülése Ferencváros szomszédos részein a le ve gõ szennye zett sé gé re gya ko rol. Az ilyen vizs gá latokat az 5. ábrán vázolt módon végezzük: a valóságos légszennyezõ for rá sok ból (ké mények: pontforrá sok, köz le ke dé si szennye zõ vonalforrások) kilépõ szennyezõket nyomgázzal helyet te sít jük és az épü le tek fe lépít é s e elõt t i é s ut á n i hel y z et mo del le z é s é vel, k ü lön b ö z õ szélirányok nál mérjük mintavételezéssel és a levegõ min ták láng io ni zá ci ós be ren de zés ben va ló vizs gá la tá - val a nyom gáz-kon centrációt a modell számos kijelölt pont já ban. A meg fe le lõ en di men ziót la ní tott mért kon cen trá - cióértékek, valamint a közlekedési kibocsátások inten zi tá sa, a kü lön bö zõ szé li rá nyok és szél se bes sé gek gyakorisága alapján meghatározható, hogy adott pontokban éves átlagban mekkora a városépítési, forgalomszervezési vál to zá sok elõtt és után a lég szennyezettség értéke, azaz prog nosz ti zál ha tó a be avat ko zá - sok ha tá sa. Szá mos vizs gá la tot vé gez tek, amely ben összehasonlították a valóságos és a szélcsatornában, modellen mért légszennyezettségi értékeket, és megállapították azokat a kri té riu mo kat [2] [4], ame lyek be tar tá sa ese tén a mo del len mért ér té kek megbízhatóan átvihetõk a nagy kivitelre. A városközpont 4. ábrán látható vizsgálatánál a Soroksári úton, a Haller utcában és a hidakon modelleztük von al for rá sokkal [5] a jármûvek kipufogógáz-kibocsátását, és a modellezett városrész 24 pontjában vizsgáltuk a légszennyezettség változását a városközpont fe lé pí té se elõtt és után. 5. ábra. A nyom gázki bo csá tás és kon cen trá ció mé rés 4. ábra. A Mil len niu mi vá ros köz pont és kör nye ze t mo dell je a szél csa tor ná ban 6. ábra. A mo dell rész le te A 6. ábrán a mo dell egy rész le te, a 7. ábrán a nyomgáz bevezetéshez és a minta vételhez használt mérõrendszer látható SZÁM GÉP, LVI. évfolyam, 2005.

3 7. ábra. A nyomgázbevezetéshez és a mintavételhez használt mérõrendszer A tanszék hasonló célú vizsgálatai közül kiemelhetõ a Mamut 2 létesítésével kapcsolatos vizsgálat, egy hannoveri városrész modellkísérlete és a KFKI atomreaktor-épülettel kapcsolatos szélcsatorna-vizsgálat. Az épületek helyileg gyorsíthatják, vagy fékezhetik az áramló levegõt, ezáltal változtatják, pl. az utcán tartózkodók komfortérzetét, vagy egy városrész átszellõzését. Az épületek, a növényzet áramlási viszonyokra (szélsebesség, turbulenciafok) gyakorolt hatásának vizsgálata céljából a homokeróziós módszert fejlesztettük tovább. Ennél a módszernél a modell felületén egyenletes vastagságú homokréteget hozunk létre, és lépcsõzetesen különbözõ szélsebességeket beállítva vizsgáljuk a modell azon részeinek elhelyezkedését, nagyságát, amelyekrõl a szél az adott megfúvási sebességnél elhordta a homokot. Kísérlettel meghatározva azt a sebességet, amelynél a szél a homokot egy sík lapról elhordja, megállapítható a levegõ épület hatására bekövetkezõ felgyorsulásának vagy lefékezõdésének értéke. A homokerózió módszerével meghatározható a városrészek átszellõzése, és a vizsgálati eredmények segítik a járdák nyomvonalának, a járókelõk tartózkodási helyeinek, a parkok, az üzletek elhelyezésének szélkomfort szempontból történõ helyes meghatározását is. A 8. ábrán a Budapest Sportaréna és környezete modellje látható a szélcsatorna mérõterében a homokeróziós vizsgálat elõtt. 9. ábra. Az áramlás szemléltetése olajköddel és lézersíkkal Az áramlás szemléltetésével (pl. olajköd és lézersík alkalmazásával) megállapíthatók az épület körüli áramlás alkalmazás szempontjából fontos jellemzõi: a 9. ábrán a Sportaréna bejárata elõtt keletkezõ, a talaj közelében a széliránnyal ellentétes irányítású áramlást okozó patkóörvény látható. ÉPÜLETEKRE HATÓ SZÉLTERHELÉS MEGHATÁROZÁSA SZÉLCSATORNA MODELLKÍSÉRLETEKKEL Épületszerkezetek igénybevételében nagy jelentõsége van a szélterhelésnek, ezért ezt a tervezésnél figyelembe kell venni. Szokatlan alakú épületek esetén nem ismert a szélterhelés, amelyet a nyomástényezõ (alaki tényezõ) épület külsõ felület menti megoszlásával lehet kifejezni. Ilyen esetekben szélcsatorna-vizsgálatokat végzünk annak érdekében, hogy az épület szilárdsági tervezését megbízható kiinduló adatokra alapozhassuk. Az áramlás szemléltetésével vizsgálható áramlási jellemzõk további adatokat szolgáltathatnak az épületcsoportok tervezéséhez (határréteg leválások a héjon és az ebbõl következõ nyomásingadozások, áramlási irány és turbulenciafok az épületek között stb.). A szélerõnek különösen nagy szerepe van a könnyûszerkezetek, pl. az egyre szélesebb körben alkalmazott feszített membrán (sátor) tetõk esetén. Az épületekre, szerkezetekre ható szélerõk döntõ részét a nyomásból származó erõk teszik ki, ezekhez képest a csúsztatófeszültségbõl származó erõ elhanyagolható. Ezért e vizsgálatokat az 1:100-1:250 léptékû épületmodellek felületének számos (48-110) pontján kivezetett nyomások mérésével végezzük (ld. 10. ábra) [6]. A nyomáskivezetéseket mûanyag csövek kötik össze a 48 vagy 64 csatornás nyomáshelyváltókkal, amelyek azokat egymás után összeköti egy nyomástávadóval. A nyomástávadóval s idõtartam alatt több ezer nyomásértéket regisztrálunk, amelybõl az átlagnyomás és a nyomásingadozás mértéke meghatározható. 8. ábra. A Budapest Sportaréna szélkomfortvizsgálata GÉP, LVI. évfolyam, SZÁM 5

4 10. ábra. Nyomáskivezetések és turbulenciagenerátor a modellen Az áramlás hasonlósága élekkel rendelkezõ (pl. hasáb alakú) épületeknél és megfelelõen nagy megfúvási sebességnél külön beavatkozás nélkül megvalósul, lekerekített felületek esetén a lekerekítés környezetébe egy huzalt (turbulenciagenerátort) helyezünk el, amely a határréteget a nagy kiviteléhez hasonlóan turbulenssé teszi. A 11. ábrán az elmúlt 3 évben az Áramlástan Tanszéken végzett néhány további szélterhelés modellkísérlet fényképe látható: az a) és b) kép egy dubai (Arab Emirátus) bevásárlóközpont és rendezvénycsarnok épület sátortetõvel rendelkezõ modelljét mutatja, a c) kép egy Las Vegas-i szabadtéri színpad, a d) kép pedig a dallasi repülõtér jelenleg épülõ 4. terminálja tetejének vizsgálata során készült az Áramlástan Tanszék szélcsatornájában. Miután a sátortetõt (membránt) terhelõ erõ a két oldalán lévõ, idõben ingadozó nyomás különbségébõl adódik, az e) képen két nézetben látható Portsmouth (Virginia, USA) szabadtéri színpad membrántetejének valamennyi mérési pontjában alul és felül egyidejûleg vezettük ki a nyomást és a nyomáskülönbséget mértük a távadóval. A 12. ábrán egy Németországban, Essenben felépült jégstadion sátortetejének modellje (a) kép) látható, valamint a nyomásmérés eredményeként kapott, állandó nyomású pontokat összekötõ görbék (b) kép), amelyek alapján a szilársági számítások elvégezhetõk. A c) képen az áramlás következõ fejezetben tárgyalt numerikus szimulációjával kapott nyomásmegoszlás látható. a) b) c) d) e) f) 11. ábra. Épületmodellek az Áramlástan Tanszék szélcsatornájában 6 1. SZÁM GÉP, LVI. évfolyam, 2005.

5 a) b) c) 12. ábra. Egy esseni jégstadion modellje, valamint a mért és a számolt nyomásmegoszlás SZENNYEZÕ TERJEDÉS ÉS SZÉLERÕ MEGHATÁROZÁSA AZ ÁRAMLÁS NUMERIKUS SZIMULÁCIÓJÁVAL Az el múlt né hány év ben az áram lás szá mí tá sa te rü le tén rend kí vül gyors fej lõ dés nek le he tünk ta núi. Ez le he tõ vé tette az áram lás tan alap egyen le te i nek, a kon ti nui tás (tö megmeg ma ra dás), a moz gás egyen let (im pul zus meg ma ra dás), eset le ge sen az ener gia e gyen let (ener gia meg ma ra dás), vala mint egyéb mennyi sé gek (tur bu len cia, ké miai anya gok, szi lárd szem csék) transz por tegyen le te i nek nu me ri kus megol dá sá ra épü lõ szoft ve rek gya kor la ti fe la da tok meg ol dá sára va ló ha té kony fel hasz ná lá sát. Az áram lás nu me ri kus szimu lá ció ját a ki bon ta ko zó tech no ló gi ák kö zött ki emelt he - lyen em lí tik. Az el já rás alap ja az, hogy a vizs gált te ret, ahol a kö zeg áram lik, fe loszt juk apró tér fo gat ré szek re, és ezek se gítsé gé vel ál lít juk elõ a de ri vál ta kat. Az ál ta lunk al kal mazott FLU ENT szoft ver a vé ges tér fo ga tok elvén mû ködik, mely nek alap ve tõ tu laj don sá ga, hogy a fent em lí tett egyen le te ket int egrál és kon zer va tív for má ban old ja meg. Ezen a mó don a kis tér fo gat cel lák fa la in egy sze rû en elle nõ riz he tõ vé vá lik a be- és ki lé põ tö meg-, il let ve im pulzu sá ram mennyi sé ge. A flu xu sok ily mó don va ló ke ze lése biz to sít ja egy ben azt is, hogy a meg ma ra dó mennyi sége ket csak kis nu me ri kus hi ba ter hel je. Ezt a mód szert e ked ve zõ tu laj don sá ga miatt szé les kör ben al kal maz zák a nu me ri kus áram lás tan te rü le tén. Je lentõs nehézséget jelent azonban a turbulencia jelen sé gé nek fi gye lem be vé te le, ugya nis a tur bu lens sebességingadozások frekven ciá já nak ská lá ja igen széles, va gyis a tur bu len s á r a m kép - st r u k t ú r á k, ör vé nyek mé re te nagy tar to mányt fog át. Min dez azt ered mé - nyezné, hogy az áramlást leíró differenciálegyenleteinket nagyon finom felosztású hálózat segítségével kellene megoldani. Ez a jelenlegi módszerek és számítógép-kapacitások mellett nem alkalmazható gazda sá go san, így a tur bu len ci át mo del lez ni kell. A turbulenciamodellek jelenleg a Reynolds-féle látszólagos feszültségek kiszámítására irányulnak, amelyet többféle módon vé gez nek el. A je len leg elér he tõ tur bu lenciamodellek közül egyik sem mondható általános érvényûnek, így a modellezendõ jelenség tulajdonságai alapján kell eldöntenünk, hogy me lyik utat vá laszt juk en nek az igen fon tos áram lá si jel lem zõ hatásának fi - gyelembe vételére. A je len leg al kal ma zott FLU ENT kód dal az áram lás tani és hõ ta ni pro blé mák szé les kö rét le het meg ol da ni: Háromdimenziós stacionárius és instacioná ri us lamináris és turbulens áramlások szá mí tá sa Az összenyomhatóság figyelembe vétele Hõ át adás, hõ ve ze tés, su gár zás szá mí tá sa É gé s, ké m ia i re a k c i ók eg y ide jû meg ha t á ro z á s a Két fá zi sú kö ze gek (por szem csék áram ló kö ze gekben, gázbuborékok folyadékban) K a v i t á c i ó s á r a m lá s ok Áramlás szûrõkben, membránokon keresztül Az áram lás nu me ri kus szi mu lá ció ját si ker rel al kal maztuk mind az épü le tek re, szer ke ze tek re ha tó szé le rõk, mind pe dig a szennye zõk lég kö ri ter je dé sé nek meg ha táro zá sá ra. A 12. b) és c) ábrát össze ha son lít va meg ál la pítha tó, hogy a FLU ENT szoft ver rel nyert szi mu lá ció eredmé nye ként ka pott nyo más me gosz lás jól egye zik a mérttel. Ha son ló ered ményt kap tunk a Spor ta ré na fe lü le tén ki ala ku ló nyo más me gosz lás mé ré sé vel és szá mí tá sá val ka pott ered mé nyek össze ha son lí tá sá val. GÉP, LVI. évfolyam, SZÁM 7

6 A 13. ábrán a ki pu fo gó gá zok di men ziót lan kon centrá ció já nak [8] FLU ENT ál talános célú szoftverrel számolt megoszlása látható a Mil lenniumi Városközpontban és Ferencváros szomszédos részein D DNy szélirány esetén. Látható, hogy viszonylag nagy koncentráció alakul ki a nagy forgalmú Soroksári út déli ré s z én [7 ]. H a s on ló s z á m í t á s o k at vé gez tünk szennyezõk városi ter je dé s é nek meg ha t á ro z á s á r a k i fej le s z tet t MISKAM szoftverrel is. 13. ábra. FLUENT szoftverrel számolt kipufogógáz koncentráció megoszlás A 14. ábrán a Mil len niu mi vá ros köz pont mo dell jé nek 24 min ta vé te li pont já ban a szél csa tor ná ban mért (négyze tek), a MIS KAM szoft ver rel szá molt (ke resz tek), va lamint a FLU ENT szoft ver rel szá molt évi át la gos di menziót lan kon cen trá cióér té ke ket vit tük fel. (Utób bia kat függõ le ges in ter val lu mok kal je löl tük, ame lyek a min ta vé tel he lyén az ut cán ke resz tül fel vett, a min ta vé te li pon tot tartal ma zó egye ne sek men tén mu tat ja a kon cen trá ció számolt vál to zá sát.) An nak el le né re, hogy a szá mí tá so kat igen bo nyo lult, több, mint 200 ház töm böt tar tal ma zó ge o met ri án vé gez tük el, a szá mí tott kon cen trá cióér té kek a min ta vé te li pon tok nagy ré szé ben jól kö ze lí tik a mér teket. A he lyen ként je len tõs el té ré sek ugya nak kor to váb bi ku ta tá sok szük sé ges sé gét in do kol ják. A gyor san fej lõ dõ nu me ri kus szi mu lá ci ós el já rá so kat al kal maz va a tan szék meg ál la pí tot ta, hogy meg fe le lõ szoft ver rel vég zett szá mí tá sok szá mos eset ben al kal masak a szél csa tor namé ré sek ki vál tá sá ra. E vizs gá la tok kiemel ke dõ sa ját os sá ga, hogy míg szá mos ku ta tó cso port vagy mér, vagy szá mol, az Áram lás tan Tan szé ken mindket tõ meg kö ze lí tést egyide jûen al kal maz zuk. A két mód szer több szem pont ból is ki egé szíti egy mást, ezért az együt tes al kal ma zás szá mos szi ner gi át szül. Szer zõk kö szö ne tet mondanak az OTKA támogatásá ért (T és T ). HIVATKOZOTT SZAKIRODALOM [1] VDI- Richtli ni en VDI 3738 Blatt 12 [2] Pla te, E.J., 1982, En gi ne ering Me te orology Elsevi er Scien ti fic Pu blis hing Com pany [3] Schatzmann, M., Leitl, B., 2002, Va li da tion and application of obstacle resolving urban dispersion models, Atmospheric Environ ment Vol. 36, Iss. 30, pp [4] Ketzel, M., Berkowitz, R., Lohmeyer, A., 2000, Comparison of Numerical Street Dispersion Models with Re sults from Wind Tun nel and Fi eld Measurements, Environmental Monitoring and Assessment [5] Meroney, R.N., Pavageau, M., Rafailidis, S., Schatzmann, M., 1996, Study of li ne so ur ce charac te ris tics for 2D physi cal mo de ling of pol lu tant dis per sion in street ca nyons, Jo ur nal of Wind Eng. and Ind. Aer [6] Sze pe si, Zs., 2000, Épü le tek kö rü li áram lás és szennyezõanyag-terjedés kísérleti vizsgálata, PhD disszer tá ció, Bu da pes ti Mû sza ki és Gaz da ság tu domá nyi Egye tem [7] Kast ner-klein, P., 1999, Ex pe ri men tel le Un ter suchung der strö mungsme cha nis chen Tran sport vorgän ge in Straßenschluch ten, Diss., Inst. für Hydromechanik, Universität Karlsruhe [8] La jos, T., Sze pe si, Zs., Go ri csán, I., Re gert, T., Su da, J., Balczó, M , Wind tun nel me asure ment a nd nu me r i c a l si mu la t ion of d i s p er sion of pollutantants in urban environment Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF 03), Budapest, Hungary, September 3 6, ábra. A mintavételi pontban mért (négyzet) és a FLUENT (intervallumok) és MISKAM (x) szoftverrel számolt dimenziótlan koncentrációértékek összehasonlítása 8 1. SZÁM GÉP, LVI. évfolyam, 2005.