Városi terek átszellőzésének és légszennyezettségének modellezése

Átírás

1 Balczó Márton okl. gépészmérnök doktori értekezésének nyilvános vitája június 24. Konzulens: Dr. Lajos Tamás Városi terek átszellőzésének és légszennyezettségének modellezése

2 VÁROSI TEREK - KÉRDÉSFELVETÉS 2 Városi tér: Városi beépítettségű területen elhelyezett, minden oldalról épületekkel körülvett, beépítés nélküli terület, gyakran növényzettel / fákkal borítva. Város életében betöltött funkciók: Szabadidő/sport, játszóterek, vendéglátás, szórakozás, piac, szabadtéri rendezvények Városrész-rehabilitációk kedvelt eleme városi terek létesítése Kérdések: A teret érintő utcák közúti forgalma milyen szennyezőanyag-koncentrációt okoz a téren? Milyen áramlási viszonyok alakulnak ki a téren, amelyek befolyásolják a szennyezőanyagkoncentrációt és a szélkomfortot? Egy tér létesítése hogyan hat ki a környék átszellőzésére, levegőminőségére? Milyen beavatkozással lehet javítani városi terek levegőminőségén?

3 TARTALOM 3 1. A szakirodalom áttekintése 2. Az alkalmazott CFD modell megbízhatóságának ellenőrzése a) Épületek közötti áramlás és terjedés b) A városi növényzet hatása 3. Városi terek vizsgálata a) Egyszerűsített geometriájú városi tér b) Valós geometriájú városi tér 4. Aktív légszennyezettség-csökkentés városi téren

4 AZ IRODALOMBAN VIZSGÁLT VÁROSI TEREK 4 Gadilhe (1993) Parra (2010) Bastigkeit (2011) Megfigyelések a vizsgált téren a szélmezőről és a szennyezőkoncentrációról A fellelhető áramlási struktúrák, terjedési mechanizmusok módszeres elemzése hiányzik Gadilhe, A.; Janvier, L. & Barnaud, G. (1993), 'Numerical and experimental modelling of the three-dimensional turbulent wind flow through an urban square', Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 46-47, Parra, M.; Santiago, J.; Martín, F.; Martilli, A. & Santamaría, J. (2010), 'A methodology to urban air quality assessment during large time periods of winter using computational fluid dynamic models', Atmospheric Environment 44(17), Bastigkeit, I. (2011): Erzeugung von Validierungsdaten für wirbelauflösende mikroskalige Strömungs- und Ausbreitungsmodelle. Doktori disszertáció. University of Hamburg.

5 AZ ALKALMAZOTT CFD MODELL 5 MISKAM (Mikroskaliges Strömung und Ausbreitungsmodell) RANS megoldó K-e turbulenciamodellel (Kato & Launder (1993) és López (2002) féle módosítással diffúziós egyenlet a szennyezőanyag-terjedésre Konzultációs célú CFD célszoftver Általános célú CFD megoldók Modellellenőrzés az épületek körüli áramlásra: Mock Urban Setting Test Szélcsatorna mérések (Hamburgi Egyetem) 256 koncentráció mérési pont Schatzmann, M. & Leitl, B. (2011): Issues with validation of urban flow and dispersion CFD models Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 99, WOTAN szélcsatorna, EWTL Hamburg

6 COST 732 MUST Koncentráció-eloszlás 6 Pontforrás SZÉL Szimuláció: - csatornahatást jól modellezi - hosszabb, de keskenyebb fáklya

7 TARTALOM 7 1. A szakirodalom áttekintése 2. Az alkalmazott CFD modell megbízhatóságának ellenőrzése a) Épületek közötti áramlás és terjedés b) A városi növényzet hatása 3. Városi terek vizsgálata a) Egyszerűsített geometriájú városi tér b) Valós geometriájú városi tér 4. Aktív légszennyezettség-csökkentés városi téren

8 NÖVÉNYZET HATÁSA UTCAKANYONOK ÁTSZELLŐZÉSÉRE 8 Növényzet modellezése MISKAM-ban (Green, 1992) Ellenálláserő a porózus koronatérfogatban: F c veg, i d bu i b levélfelület-sűrűség [m 2 /m 3 ] c d levél ellenállás-tényező u A b V levél lomb A K és e egyenlet is módosul (turbulencia növekedés és csökkenés a növényzet hatására) C. Gromke szélcsatorna kísérletei 1:10 oldalarányú utcakanyonok Szélmező és terjedési mérések különböző levélfelület sűrűségű növényzetre

9 NÖVÉNYZET HATÁSA UTCAKANYONOK ÁTSZELLŐZÉSÉRE 9

10 NÖVÉNYZET HATÁSA UTCAKANYONOK ÁTSZELLŐZÉSÉRE 10

11 NÖVÉNYZET HATÁSA UTCAKANYONOK ÁTSZELLŐZÉSÉRE 11 Növényzet nélkül Növényzettel Az átlagostól eltérő arányú koncentráció-változások!

12 NÖVÉNYZET HATÁSA UTCAKANYONOK ÁTSZELLŐZÉSÉRE 12 Örvénymagok megjelenítése a MISKAM eredményeken Növényzet nélkül Növényzettel

13 4. TÉZIS 13 Tekintettel a növényzet városi tereken való gyakori előfordulására, megvizsgáltam a MISKAM CFD modell növényzet-parametrizációjának jellemzőit a növényzet levegőminőségre gyakorolt hatása tekintetében. Következtetéseket vontam le a városi növényzet áramlásra és szennyezőanyag-terjedésre gyakorolt hatásáról. Megállapítottam, hogy a Reynolds-átlagolt Navier-Stokes egyenletet módosított K-e turbulencia modellel megoldó, a növényzetet porozitásként kezelő MISKAM modell a Gromke és Ruck (2008) által felállított CODASC adatbázis szélcsatorna mérési eredményeihez hasonló koncentráció-eloszlásokat ad eredményül a vizsgált utcakanyonokban. Azt tapasztaltam, hogy a CFD modell túlbecsüli a növényzet jelenléte által okozott átlagos koncentráció-növekedést. A túlbecslés mértékét a modell új változatában alkalmazott fejlettebb numerikus sémák elfogadható szintre csökkentik. A növényzet áramlásra gyakorolt összetett hatásának megjelenítésére elsőként alkalmaztam örvénymag-megjelenítési módszert. Kimutattam, hogy a növényzet hatására bekövetkező, az áramlási tér egyes helyein megfigyelt, az átlagostól jelentősen eltérő koncentráció-változást indikálja az utcakanyonban megjelenő áramlási struktúrák, örvénymagok növényzet okozta áthelyeződése. (Balczó et al., 2009, Czáder et al., 2009)

14 4. TÉZIS 14 Balczó, M., Gromke, C., Ruck, B. (2009): Numerical modeling of flow and pollutant dispersion in street canyons with tree planting. Meteorologische Zeitschrift Czáder, K., Balczó, M., Eichhorn, J. (2009): Modelling of flow and dispersion in a street canyon with vegetation by means of numerical simulation. Proceedings of the XXIII. MicroCAD International Scientific Conference, Miskolc, Hungary, March 2009,

15 TARTALOM A szakirodalom áttekintése 2. Az alkalmazott CFD modell megbízhatóságának ellenőrzése a) Épületek közötti áramlás és terjedés b) A városi növényzet hatása 3. Városi terek vizsgálata a) Egyszerűsített geometriájú városi tér b) Valós geometriájú városi tér 4. Aktív légszennyezettség-csökkentés városi téren

16 IDEALIZÁLT TÉRMODELL 16

17 SZÉLCSATORNA MODELLKÍSÉRLET 17 1:650 modellépték Atmoszférikus határréteg modellezése Ellenőrzés LDA méréssel Homokeróziós mérés Nyomgázkibocsátáson alapuló koncentrációmérés 41 felszíni mérési pontban Párhuzamosan MISKAM szimulációk

18 VALÓS GEOMETRIÁJÚ VÁROSI TÉR 18 Szélcsatorna kísérlet 1:350 modellépték Részben egyszerűsített geometria (lapos tető, egységes épületmagasság-lépcsők) LDA mérés az u és v vízszintes sebességkomponensek meghatározására

19 Mérés Szimuláció SZÉLMEZŐ ÉSZAKI SZÉLIRÁNY 19

20 Szimuláció ÁRAMLÁSI STRUKTÚRÁK ÉSZAKI SZÉLIRÁNY 20

21 Mérés Szimuláció KONCENTRÁCIÓMEZŐ ÉSZAKI SZÉLIRÁNY 21

22 SZÉLMEZŐ ÉSZAKI SZÉL Z = 0.5 h 22

23 A TÉR SZÉLVISZONYAINAK SEMATIKUS ÁBRÁI 23 Kis talajközeli szélsebesség Nagy talajközeli szélsebesség Talajközeli áramlási irány Felszínen kezdődő vízszintes örvénymag

24 IDŐFÜGGŐ ÁRAMLÁS ELEMZÉSE SZÉLRÓZSÁK SEGÍTSÉGÉVEL 24 LDA - mérés: u és v szimultán idősorai Ingadozások térbeli /vízszintes síkbeli változása: szélrózsás megjelenítés V d [-]

25

26 IDŐFÜGGŐ ÁRAMLÁS ELEMZÉSE SZÉLRÓZSÁK SEGÍTSÉGÉVEL Szélrózsák egyetlen domináns széliránnyal, és attól való csekély eltérésekkel - utcákban (keresztirányban csillapított ingadozás) 2. Legyező alakú szélrózsák - Tér nyitott területén 3. Több csúccsal rendelkező szélrózsák - Utcákban, kereszteződésekben - Struktúrák peremén vagy örvénymag közelében Jelentőség: - szélkomfort - szennyezőanyag-terjedés iránya

27 1. TÉZIS (1) 27 Valóságos és egyszerűsített geometriájú terek áramlási viszonyait szélcsatorna modellkísérletekkel és CFD szimulációval vizsgáltam. Ennek során részletesen ellenőriztem az alkalmazott MISKAM modell megbízhatóságát, és azt megfelelőnek találtam. Megállapítottam, hogy egy, minden oldalról épületekkel határolt téren az átszellőzés szempontjából a csatlakozó utcákon keresztüli be- és kiáramlás a meghatározó. A be- és kiáramlás ugyanis az egyedülálló épületek és épületcsoportok vizsgálatából ismert áramlási struktúrák egyedi kombinációját alakítja ki a téren. E struktúrák döntően befolyásolják a talajközeli szélsebesség nagyságát, irányát és turbulens jellemzőit. Megállapítottam, hogy a tér szél felőli oldalán csatlakozó utcákon át történő beáramlás kis kiterjedésű, nagy szélsebességű zónákat hoz létre. A tér szél alatti oldalán álló épülettömb homlokzatánál az arra merőleges szélirány esetén patkóörvény alakul ki, amely jelentősen növeli a helyi talajközeli szélsebességet és a tér levegőjének egy részét a szélirányra merőleges irányú utcákba tereli. Átlós széliránynál az egész teret betöltő csavarvonalú áramvonalakkal jellemezhető áramlást figyeltem meg, amely miatt talajközelben a szélirányra merőleges áramlás alakul ki.

28 1. TÉZIS (2) 28 Ha a teret körülvevő épületek magassága jelentős mértékben különbözik, a magasabb épület oldalán kialakuló leválási buborék jelentősen módosítja a téren a talajközeli szélsebesség irányát. A kétkomponensű időfüggő szélcsatorna sebességmérési eredmények megjelenítésére a meteorológiából ismert, de a mikroskálájú szélcsatorna vizsgálatokban eddig nem alkalmazott szélrózsás megjelenítést vezettem be. Ez lehetővé tette, hogy összefüggéseket állapítsak meg a tér geometriája, az áramlási struktúrák helyzete, és a turbulencia anizotrópiájának jellege között. Lajos, T., Goricsán, I., Régert, T., Suda, J. M., Balczó, M. (2008): Légszennyező anyagok terjedése városokban - A magas épületek hatása a légszennyezettségre. Magyar Építőipar 2008/ Balczó, M., Eichhorn, J. (2009): Refined MISKAM simulations of the Mock Urban Setting Test. Proceedings of the XXIII. MicroCAD International Scientific Conference, Miskolc, Hungary, március , Goricsán, I., Balczó, M., Czáder, K., Rákai, A., Tonkó, C. (2011): Simulation of flow in an idealised city using various CFD codes. International Journal of Environment and Pollution 44 (1-4) Balczó, M., Lajos, T. (2015a): Flow and dispersion phenomena in a simplified urban square. Periodica Polytechnica Civil Engineering 59/3 (elfogadott közlemény) Balczó, M., Lajos, T. (2015b): Városi terek szélviszonyai és légszennyezettsége. Légkör 59/3 (elfogadott közlemény) Balczó, M., Tomor, A. (2015): Wind tunnel and CFD study of wind conditions in an urban square. Időjárás 119/4 (elfogadott közlemény)

29 2. TÉZIS 29 Városi terek szélén áthaladó nagy forgalmú út mentén kibocsátott szennyezőanyagok terjedési jelenségeit vizsgáltam CFD szimulációval és szélcsatorna modellkísérlettel, és meghatároztam a téren kialakuló, az 1. tézisben ismertetett áramlási struktúrák és a téren megfigyelt koncentráció mező összefüggéseit. A tér hossztengelyével párhuzamos szélirány esetén amennyiben a nagy forgalmú út a tér szél felőli oldalán helyezkedik el a szél felőli épülettömb szél alatti oldalán kialakuló leválási buborék felemeli a felszínen kibocsátott szennyezőanyagot, ezáltal a koncentrációt a tér felszínén csökkenti. A széliránnyal párhuzamos, a tér szél felőli oldalán elhelyezkedő utcákból befúvó szél helyi koncentráció maximumok kialakulását okozza. Megállapítottam továbbá, hogy ferde megfúvási iránynál amennyiben a nagy forgalmú út a tér szél felőli oldalán helyezkedik el a téren kialakuló csavarvonalú örvény és a szél alatti épületeken kialakuló leválási buborék hatására a tér egyik oldalán jóval nagyobb koncentráció figyelhető meg, mint a másikon. Amennyiben a szélirány párhuzamos a tér egyik oldalán elhelyezkedő nagy forgalmú úttal, akkor a tér szennyező forrással átellenes oldalán nem mérhető szennyező koncentráció, ami összhangban van az 1. tézisben azonosított áramlási struktúrák (a szél felőli épülettömb szél alatti oldalán létrejövő leválási buborék) tulajdonságaival.

30 FÜGGŐLEGES SEBESSÉGKOMPONENS KÖZELÍTŐ MEGHATÁROZÁSA 30 Számítható-e a vízszintes síkban mért átlag sebességmezőből a függőleges sebességkomponens? Függőleges sebességkomponensre a kontinuitás tételéből: wd z u d x vd y Talaj közelében igaz: div v hord z wd w z d sík w d div v hor d zsík

31 FÜGGŐLEGES SEBESSÉGKOMPONENS KÖZELÍTŐ MEGHATÁROZÁSA 31

32 5. TÉZIS 32 A kontinuitás tételén alapuló egyszerű közelítő módszert vezettem be a nehezen mérhető függőleges w sebességkomponens meghatározására, a vízszintes x-y síkban mért vízszintes u és v sebességkomponenseloszlás alapján. Ennek segítségével egy városmodellen egyszerűen azonosíthatóak a kialakuló fel- és leáramlások. Vízszintes talaj közelében a függőleges w sebességkomponens függőleges deriváltja a függőleges sebesség és a talaj feletti magasság hányadosával közelíthető, ugyanakkor a kontinuitás tétele alapján az u és v két vízszintes sebességkomponens x-y síkbeli divergenciájából is számítható. Így a talajközeli, vízszintes síkban mért vízszintes sebességvektor-eloszlásból a függőleges sebességkomponens eloszlása ugyanabban a síkban közelítőleg meghatározható. Balczó, M., Tomor A. (2015): Wind tunnel and CFD study of wind conditions in an urban square. Időjárás (BÍRÁLAT ALATT)

33 TARTALOM A szakirodalom áttekintése 2. A kutatásban alkalmazott eszközök 3. Az alkalmazott CFD modell megbízhatóságának ellenőrzése a) Épületek közötti áramlás és terjedés b) A városi növényzet hatása 4. Városi terek vizsgálata a) Egyszerűsített geometriájú városi tér b) Valós geometriájú városi tér 5. Aktív légszennyezettség-csökkentés városi téren

34 AKTÍV LÉGSZENNYEZETTSÉG-CSÖKKENTÉS JÓZSEF NÁDOR TÉR 34 Új szellőzési koncepció: elszívás talajszinten és kibocsátás tetőszinten

35 AKTÍV LÉGSZENNYEZETTSÉG-CSÖKKENTÉS JÓZSEF NÁDOR TÉR 35 - Éves átlag csökkenés a téren: 3-4 % A MÉLYGARÁZS HATÁSA a légszennyezettségre

36 3. TÉZIS 36 Városi terek levegőminőségének javítására a tér alatt kialakított mélygarázs szellőzőrendszerének módosításával működő, a tér egy részén a szennyezőanyag-koncentrációt csökkentő aktív módszert javasoltam, amelynek hatékonyságát CFD szimulációval bizonyítottam. Egy mélygarázs előírt szellőzőlevegő térfogatárama nagyságrendileg összemérhető egy zárt városi téren kis szélsebességű időjárási helyzetekben áthaladó levegőmennyiséggel. A garázs szellőzőlevegőjének a tér nagy szennyezőanyag-koncentrációjú helyén történő elszívásával a térről jelentős szennyezőanyag-mennyiség távolítható el. Az elszívást javasolt a kihajtó rámpán keresztül megvalósítani, ahol a járművek fajlagos emissziója a legnagyobb. Így a téren a nagy talajközeli légszennyezettség a mélygarázs megépítését megelőző állapothoz képest csökken. Az elszívott, elhasznált garázslevegőt a környező épületek tetőszintje felett, kürtőn kell kibocsátani, hogy az a téren és környezetében koncentráció-növekedést ne okozzon. A módszer a téren azonosított áramlási struktúrák átszellőzésre és koncentrációmezőre gyakorolt hatásának ismeretében optimalizálható. Balczó, M., Lajos, T. (2012): Active reduction of air pollutant concentrations at an urban square. Proceedings of the 8th International Conference on Urban Climate (ICUC 8), Dublin, Ireland, August 6-10, 2012 Balczó, M., Lajos T. (2015b): Városi terek szélviszonyai és légszennyezettsége. Légkör 59/3 (elfogadott közlemény)

37 37 Köszönöm a figyelmet!

38 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Dr. Lajos Tamás egyetemi tanár, témavezetőm 38 Dr. Weidinger Tamás, az ELTE Meteorológia Tanszék docense, a dolgozat bírálója Dr. Szabó Gergely tervezőmérnök (Pont-TERV Zrt.) a dolgozat bírálója Dr. Vad János tanszékvezető Dr. Goricsán István, egyetemi adjunktus, (ma: szenior fejlesztő mérnök AUDI Hungária), mentorom a szélcsatorna csoportban Dr. Lohász Máté és Dr. Régert Tamás kollegáim Dr. Christof Gromke tudományos munkatárs Karlsruhe Institute of Technology KIT Dr. Joachim Eichhorn, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, a MISKAM modell fejlesztője

39 39 Dr. Thomas Flassak, a karlsruhei Lohmeyer Mérnökiroda munkatársa, a WinMISKAM fejlesztője Berbekár Éva, Rákai Anikó, Tonkó Csilla és Czáder Károly hallgatók, a COST 732 és COST ES1006 kutatási együttműködés munkacsoport résztvevői Varga Árpád szakdolgozó és diplomatervező hallgató, a nagy szélcsatorna szondamozgató rendszerének egyik fejlesztője Buda Ádám, Faragó Tamás, Manninger Péter, Tomor András, Varga Máté diplomatervező hallgatóim Dr. Istók Balázs, Dr. Suda Jenő, Kalmár Gábor, Gulyás András, laboros kollegáim Szalma Zsuzsa kolléganőm, pénzügyi és gazdasági ügyintéző Az Áramlástan Tanszék minden tagja

40 40 A MÉRNÖKI PÁLYÁN ELINDÍTÓ ÉS KÍSÉRŐ NEVELŐIM ÉS TANÁRAIM Szántó Béla, a Marczibányi téri repülőmodellező klub vezetője Liga Erika és Héger Ágnes általános iskolai fizika és kémia tanáraim Gyurka János és Varga György középiskolai fizika tanáraim Dr. Sánta Imre és Dr. Gausz Tamás egyetemi docens BME Repülőgépek és Hajók Tanszék Dr. Jens Denecke diplomaterv konzulensem a Karlsruhei Egyetemen

41 INTÉZMÉNYI TÁMOGATÓK 41 DAAD (2008) EU Marie Curie Conferences & Training Courses (2005) FKF Rt. forgalomtechnikai főosztály (Huszár Dezső) (2010) Közlekedés Kft. (Antal István, Szlatényi Ernő) (2010) Levegő Munkacsoport (Beliczay Erzsébet) (2002) NKTH NKFP 3A/088/2004 projekt ( ) Mecenatúra pályázat (2009) OTKA pályázat ( ) OTKA K pályázat ( ) Szellemi Erőforrások Fejlesztéséért és Hasznosításáért Alapítvány (2009)

42 SZEMÉLYES KÖSZÖNET 42 Édesanyám, Édesapám Demcsák József és Demcsákné Balczó Ildikó testvéreim és barátaim Az Prohászka Ottokár Cserkészcsapat Ős őrse

43 Balczó Márton okl. gépészmérnök doktori értekezésének nyilvános vitája június 24. Konzulens: Dr. Lajos Tamás Városi terek átszellőzésének és légszennyezettségének modellezése