آلودگی هوا درون کنیون (canyon) خیابانی، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

توضیحات

شرح پروژه (کنیون)

هدف از مسأله، شبیه سازی عددی پخش آلودگی هوا در یک کنیون (canyon) خیابانی با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

در این مدل‌سازی، یک منطقه شهری به عنوان ناحیه محاسباتی مدل تعریف می‌شود. بدین ترتیب، دو ردیف بلوک ساختمانی به موازات یکدیگر ایجاد می‌شود و درنتیجه، فضایی بین این دو ردیف بلوک ساختمانی ایجاد می‌شود که به آن کنیون خیابانی (street canyon) یا کنیون شهری (urban canyon) می‌گویند.

نوع کنیون و ابعاد هندسی اجزای آنها می‌تواند به طور موثر گرمای شهری یا توزیع گازهای مختلف در هوا را توزیع کند. مدل حاضر با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) به صورت سه بعدی طراحی شده است.

دامنه محاسباتی مدل دارای طول 36 متر، عرض 24 متر و ارتفاع 8 متر است. در این ناحیه محاسباتی، دو ردیف از بلوک‌های ساختمانی هندسی ساده طراحی شده‌اند تا با یکدیگر موازی شوند. همچنین برای کاهش هزینه محاسباتی، مدل به صورت محدود طراحی شده و از شرایط مرزی تقارن (symmetry) در مناطق اطراف این ناحیه شهری استفاده شده است.

سپس مش بندی مدل با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) انجام شده است. تعداد سلول‌های ایجاد شده برابر 1938659 است.

روش‌های استفاده شده

این کار به بررسی میزان و نحوه توزیع آلاینده‌ها در فضای این کنیون می پردازد. بنابراین برای انجام این شبیه سازی از مدل انتقال گونه‌ها (Species Transport) استفاده شده است.

این مدل دارای دو نوع گاز از جمله هوا و آلاینده است. گونه آلاینده دارای ظرفیت گرمایی ویژه 1100 j/kg.K و وزن مولکولی 77.49064 kg/kmol است، و هوا دارای ظرفیت ویژه گرمایی 1006.43 j/kg.K و وزن مولکولی آن برابر با 28.966 kg/kmol است.

فرض بر این است که همه آلاینده‌ها در فضای کنیون خیابان تولید می‌شوند. بنابراین، در فضای کنیون، دو شیار روی زمین ایجاد می‌شود که به عنوان منبع آلودگی عمل می‌کند.

بنابراین، یک ترم منبع (source term) برای گونه‌های آلاینده معادل 0.011 کیلوگرم بر مترمکعب ثانیه در منطقه آلودگی از ناحیه محاسباتی مدل تعریف شده است. در ابتدا فقط هوا در داخل شهر وجود دارد و سپس آلاینده‌ها شروع به تولید می‌کنند.

در مرز ورودی مدل، فقط جریان هوای خالص وارد می‌شود و از شرط ورودی سرعت (velocity inlet) استفاده می‌شود. مقدار سرعت ورودی به عنوان تابعی از موقعیت مکانی بخش ورودی تعریف می‌شود و از این رو، از یک پروفایل (profile) استفاده می‌شود.

همچنین دمای هوا روی 300K تنظیم شده است. علاوه براین، مدل توربولانسی RNG k-epsilon و معادله انرژی برای شبیه‌سازی معادلات سیال آشفته و محاسبه تغییر دما در دامنه محاسباتی فعال هستند.

نتایج

در پایان فرآیند حل، کانتورهای (contour) سه‌ بعدی مربوط به گرادیان فشار، سرعت، گرادیان دما، کسر جرمی (volume fraction) هوا، کسر جرمی (mass fraction) آلاینده‌ها و کانتورهای دو بعدی مربوط به سرعت، کسر جرمی هوا و کسر جرمی آلاینده‌ها به دست آمده است.

همان‌طور که در تصاویر مشاهده می‌شود، آلودگی هوا از داخل کنیون خیابان رخ می‌دهد. بردارهای (vector) سرعت دو بعدی و سه بعدی نیز به دست آمده‌اند. بسته به رفتار بردارهای سرعت در داخل کنیون، یک گردابه (vortex) یا چرخش جریان ظاهر می‌شود.