Προηγμένη Υπολογιστική Μοντελοποίηση Ρευστοδυναμικής για την Πρόβλεψη της Διασποράς Αερομεταφερόμενων Υλικών από Απελευθερώσεις Ρουφής σε Πολύπλοκα Αστικά Περιβάλλοντα

Ένα από τα βασικά προβλήματα που σχετίζονται με την ασφάλεια και την ανθρώπινη ζωή είναι οι εκπομπές επικίνδυνων ουσιών στην ατμόσφαιρα από σημειακές πηγές, οι οποίες προκαλούνται κυρίως από σκόπιμες ή τυχαίες ατμοσφαιρικές εκλύσεις. Σε πολλές περιπτώσεις, οι απελευθερώσεις είναι σύντομες (ρουφηξιά) και οι συγκεντρώσεις είναι υψηλές, και υπάρχει ανάγκη αξιόπιστης πρόβλεψης παραμέτρων με βάση τη δόση που σχετίζονται με την αξιολόγηση κινδύνου. Τέτοιες παράμετροι με βάση τη δόση μπορεί να είναι η μεμονωμένη έκθεση/μέγιστες δόσεις, ο χρόνος ταξιδιού του ρύπου από την πηγή στη θέση ενδιαφέροντος (αισθητήρας) και η διάρκεια της εισπνοής στον αισθητήρα.

Το Σχ. 1 δείχνει μια ρουφηξιά που μετρήθηκε από έναν αισθητήρα προς τα κάτω μιας πηγής. Σε αντίθεση με το Σχ. 1, δεν είναι πάντα δεδομένο ότι η ρουφηξιά θα χτυπήσει τον αισθητήρα, καθώς ορισμένες εισπνοές μπορούν να παρακάμψουν τον αισθητήρα, ακολουθώντας διαφορετικές οδούς. Αυτό οφείλεται στη στοχαστική φύση των ατμοσφαιρικών αναταράξεων. Το πρόβλημα είναι πιο περίπλοκο όταν η απελευθέρωση ρουφηξιών συμβαίνει μέσα σε ένα αστικό περιβάλλον όπου τα κτίρια επηρεάζουν τη διασπορά. Μια σειρά από ρουφηξιές σε αστικό περιβάλλον μπορείτε να δείτε στο παρακάτω βίντεο:

Ξεκινώντας από το γεγονός ότι η μεταβλητότητα της διασποράς εισπνοών είναι σημαντική, ειδικά σε πολύπλοκες αστικές κατοικημένες περιοχές, ακόμη και για εισπνοές που απελευθερώνονται υπό παρόμοιες μετεωρολογικές συνθήκες, η πρόβλεψη παραμέτρων με βάση τη δόση από τη διασπορά ρουφηξιών είναι μια πολύ απαιτητική εργασία για ένα αριθμητικό μοντέλο. Οι τιμές συγκρίνονται όχι μόνο στο χώρο αλλά και στο χρόνο. Μια ανασκόπηση των διαθέσιμων μοντέλων διασποράς με βάση την ανοιχτή βιβλιογραφία έδειξε ότι τα μοντέλα Computational Fluid Dynamics (CFD) και Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) είναι ιδανικά για το σκοπό αυτό, λόγω της αξιόπιστης πρόβλεψης της ροής του ανέμου και της διασποράς ρύπων σε σύνθετα διαμορφώσεις όπως αστικά περιβάλλοντα.

Η μεθοδολογία CFD-RANS για τη διασπορά φυσαλίδων αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας δύο περιπτωσιολογικές μελέτες (πειραματικά σύνολα δεδομένων αεροδυναμικής σήραγγας Michelstadt και CUTE). Η απόδοση του μοντέλου αξιολογήθηκε συγκρίνοντας τις υπολογιζόμενες και μετρημένες μέσες τιμές συνόλου των ακόλουθων ποσοτήτων που σχετίζονται με ρουφηξιά σε συγκεκριμένες θέσεις αισθητήρων μέσα στο αστικό περιβάλλον:δοσολογία, συγκέντρωση αιχμής, χρόνος άφιξης ρουφηξιών, χρόνος ανάβασης, χρόνος αιχμής, αξιοπρεπής χρόνος, αφήνοντας χρόνο και διάρκεια.

Τα αποτελέσματα ήταν ενθαρρυντικά καθώς το μοντέλο CFD-RANS παρουσίασε καλύτερη απόδοση για την πρόβλεψη των χρονικών παραμέτρων (δηλαδή, χρόνος άφιξης εισπνοών, χρόνος αιχμής, χρόνος αναχώρησης, διάρκεια εισπνοής, κ.λπ.) παρά για τη δόση και τη συγκέντρωση αιχμής. Η αξιολογούμενη απόδοση του μοντέλου εξαρτάται από τη θέση των αισθητήρων σε σχέση με τη θέση της πηγής. Σε αισθητήρες που βρίσκονται κατά τον άνεμο της πηγής κοντά στη μέση διαδρομή εισπνοής, η συμφωνία των αποτελεσμάτων του μοντέλου με τα πειραματικά δεδομένα είναι καλύτερη από εκείνες σε αισθητήρες που βρίσκονται πιο μακριά από τη μέση διαδρομή.

Επίσης, πρέπει να σημειωθεί ότι τα αποτελέσματα των μετρήσεων έδειξαν μεγάλη μεταβλητότητα. Ένα παράδειγμα παρουσιάζεται στο Σχ. 2 όπου η υπολογιζόμενη από το μοντέλο δόση για έναν αισθητήρα επικαλύπτεται στην κατανομή των μετρούμενων δόσεων για όλες τις εισπνοές που απελευθερώνονται σε αυτήν την περίπτωση. Φαίνεται ότι σε αυτήν την περίπτωση το μοντέλο υπολόγισε με επιτυχία τη μέση δόση (η οποία εδώ είναι κοντά στην πιο πιθανή τιμή).

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Prediction of dosage-based parameters from the puff dispersion of airborne υλικά σε αστικά περιβάλλοντα χρησιμοποιώντας τη μεθοδολογία CFD-RANS, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Meteorology and Atmospheric Physics. Η εργασία αυτή έγινε από τους Γ. Χ. Ευθυμίου και Σ. Ανδρονόπουλο από το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος και Ι. Γ. Μπάρτζη από το Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας.

Αναφορά:

• Γ. Χ. Ευθυμίου, Σ. Ανδρονόπουλος, Ι. Γ. Μπάρτζης, 2017. Πρόβλεψη παραμέτρων με βάση τη δόση από τη βραχείας διάρκειας απελευθέρωση αερομεταφερόμενων υλικών σε αστικά περιβάλλοντα, Μετεωρολογία και Φυσική της Ατμόσφαιρας, 130(1), 107-124.