konzulens: dr. lajos tamásbalczo/publications/balczo_marton...balczó márton okl. gépészmérnök...

Balczó Márton

okl. gépészmérnök

doktori értekezésének

nyilvános vitája

2015. június 24.

Konzulens:

Dr. Lajos Tamás

Városi terek átszellőzésének és légszennyezettségének modellezése

2

43VÁROSI TEREK - KÉRDÉSFELVETÉS

Városi tér:

• Városi beépítettségű területen elhelyezett,

minden oldalról épületekkel körülvett,

beépítés nélküli terület,

gyakran növényzettel / fákkal borítva.

Kérdések:

• A teret érintő utcák közúti forgalma milyen szennyezőanyag-koncentrációt okoz a téren?

• Milyen áramlási viszonyok alakulnak ki a téren, amelyek befolyásolják a szennyezőanyag-

koncentrációt és a szélkomfortot?

• Egy tér létesítése hogyan hat ki a környék átszellőzésére, levegőminőségére?

• Milyen beavatkozással lehet javítani városi terek levegőminőségén?

Város életében betöltött funkciók:

• Szabadidő/sport, játszóterek, vendéglátás,

szórakozás, piac, szabadtéri rendezvények

• Városrész-rehabilitációk kedvelt eleme városi

terek létesítése

3

43TARTALOM

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

43

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, 755--763.

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), 2089--2097.

Bastigkeit, I. (2011): Erzeugung von Validierungsdaten für wirbelauflösende mikroskalige Strömungs- und Ausbreitungsmodelle. Doktori

disszertáció. University of Hamburg.

Gadilhe (1993) Parra (2010) Bastigkeit (2011)

• Megfigyelések a vizsgált téren a szélmezőről és a szennyezőkoncentrációról

• A fellelhető áramlási struktúrák, terjedési mechanizmusok módszeres elemzése hiányzik

AZ IRODALOMBAN VIZSGÁLT

VÁROSI TEREK

5

43

MISKAM (Mikroskaliges Strömung und Ausbreitungsmodell)

• RANS megoldó K-e turbulenciamodellel (Kato & Launder (1993) és López

(2002) féle módosítással

• diffúziós egyenlet a szennyezőanyag-terjedésre

AZ ALKALMAZOTT CFD MODELL

Általános célú CFD

megoldók

Konzultációs célú

CFD célszoftver

Modellellenőrzés az épületek

körüli áramlásra:

• Mock Urban Setting Test

• Szélcsatorna mérések

(Hamburgi Egyetem) 256

koncentráció mérési pont

WOTAN szélcsatorna, EWTL HamburgSchatzmann, M. & Leitl, B. (2011): Issues with validation of urban flow and dispersion

CFD models Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 99, 169-186

6

43

6

Szimuláció: - csatornahatást jól modellezi

- hosszabb, de keskenyebb fáklya

SZÉL

Pont-

forrás

COST 732

MUST – Koncentráció-eloszlás

7

43TARTALOM









8

43

• Ellenálláserő a porózus koronatérfogatban:

• b levélfelület-sűrűség [m2/m3]

• cd levél ellenállás-tényező

NÖVÉNYZET HATÁSA

UTCAKANYONOK ÁTSZELLŐZÉSÉRE

uidiveg ubcF ,

A

lomb

levél

V

Ab

• K és e egyenlet is módosul (turbulencia növekedés

és csökkenés a növényzet hatására)

Növényzet modellezése MISKAM-ban

(Green, 1992)

C. Gromke szélcsatorna kísérletei

• 1:10 oldalarányú utcakanyonok

• Szélmező és terjedési mérések

különböző levélfelület sűrűségű

növényzetre

9

43

NÖVÉNYZET HATÁSA


10

43

NÖVÉNYZET HATÁSA


11

43

NÖVÉNYZET HATÁSA


Növényzet nélkül

Növényzettel

Az átlagostól eltérő arányú koncentráció-változások!

12

43

12

Örvénymagok megjelenítése a MISKAM eredményeken

NÖVÉNYZET HATÁSA


Növényzet nélkül Növényzettel

13

434. TÉZIS

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

43

Balczó, M., Gromke, C., Ruck, B. (2009): Numerical modeling of flow and pollutant dispersion in street canyons with tree planting.

Meteorologische Zeitschrift 18 197–206.

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, 19-20 March 2009, 47–52.

4. TÉZIS

15

43TARTALOM









16

43IDEALIZÁLT TÉRMODELL

17

43SZÉLCSATORNA MODELLKÍSÉRLET

• 1:650 modellépték

• Atmoszférikus határréteg modellezése

– Ellenőrzés LDA méréssel

• Homokeróziós mérés

• Nyomgázkibocsátáson alapuló

koncentrációmérés 41 felszíni mérési pontban

• Párhuzamosan MISKAM szimulációk

18

43

Szélcsatorna kísérlet

• 1:350 modellépték

• Részben egyszerűsített geometria

(lapos tető, egységes épületmagasság-lépcsők)

• LDA mérés az u és v vízszintes sebesség-

komponensek meghatározására

VALÓS GEOMETRIÁJÚ VÁROSI TÉR

19

43

SZÉLMEZŐ

ÉSZAKI SZÉLIRÁNYM

éré

s

Szim

ulá

ció

20

43

Szim

ulá

ció

ÁRAMLÁSI STRUKTÚRÁK

ÉSZAKI SZÉLIRÁNY

21

43

Mé

rés

Szim

ulá

ció

KONCENTRÁCIÓMEZŐ

ÉSZAKI SZÉLIRÁNY

22

43

SZÉLMEZŐ – ÉSZAKI SZÉL

Z = 0.5 h

23

43

A TÉR SZÉLVISZONYAINAK

SEMATIKUS ÁBRÁI

Kis talajközeli szélsebesség

Nagy talajközeli szélsebesség

Talajközeli áramlási irány

Felszínen kezdődő vízszintes örvénymag

24

43

IDŐFÜGGŐ ÁRAMLÁS ELEMZÉSE

SZÉLRÓZSÁK SEGÍTSÉGÉVEL

| Vd | [-]

LDA - mérés: u és v szimultán idősorai

• Ingadozások térbeli /vízszintes síkbeli változása:

– szélrózsás megjelenítés

26

43

1. Szélrózsák egyetlen

domináns széliránnyal, és

attól való csekély eltérésekkel

2. Legyező alakú szélrózsák

3. Több csúccsal rendelkező

szélrózsák

IDŐFÜGGŐ ÁRAMLÁS ELEMZÉSE

SZÉLRÓZSÁK SEGÍTSÉGÉVEL

- utcákban (keresztirányban

csillapított ingadozás)

- Tér nyitott területén

- Utcákban, kereszteződésekben

- Struktúrák peremén vagy

örvénymag közelében

Jelentőség:

- szélkomfort

- szennyezőanyag-terjedés iránya

27

43

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.

1. TÉZIS (1)

28

43

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 2008/4 137–144.

Balczó, M., Eichhorn, J. (2009): Refined MISKAM simulations of the Mock Urban Setting Test. Proceedings of the XXIII. MicroCAD

International Scientific Conference, Miskolc, Hungary, 2009. március 19-20., 7–12.

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) 359–367.

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)

1. TÉZIS (2)

29

432. TÉZIS

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

43

dhorddd vdivy

v

x

u

z

w

síkdhord zvdivw

FÜGGŐLEGES SEBESSÉGKOMPONENS

KÖZELÍTŐ MEGHATÁROZÁSA

Függőleges sebességkomponensre

a kontinuitás tételéből:

Talaj közelében igaz:

Számítható-e a vízszintes síkban

mért átlag sebességmezőből a

függőleges sebességkomponens?

sík

dd

z

w

z

w

31

43

FÜGGŐLEGES SEBESSÉGKOMPONENS

KÖZELÍTŐ MEGHATÁROZÁSA

32

435. TÉZIS

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 sebességkomponens-

eloszlás 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

43TARTALOM


2. A kutatásban alkalmazott eszközök








34

43

Új szellőzési koncepció: elszívás talajszinten

AKTÍV LÉGSZENNYEZETTSÉG-CSÖKKENTÉS

JÓZSEF NÁDOR TÉR

és kibocsátás tetőszinten

35

43

A MÉLYGARÁZS HATÁSA

a légszennyezettségre

- Éves átlag csökkenés a téren: 3-4 %

AKTÍV LÉGSZENNYEZETTSÉG-CSÖKKENTÉS

JÓZSEF NÁDOR TÉR

36

433. TÉZIS

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

43

Köszönöm a figyelmet!

38

43KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

Dr. Lajos Tamás egyetemi tanár, témavezetőm

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

43Dr. 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

43A 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

43INTÉZMÉNYI TÁMOGATÓK

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 (2004–2007)

Mecenatúra pályázat (2009)

OTKA 37730 pályázat (2002-2005)

OTKA K108936 pályázat (2013-2016)

Szellemi Erőforrások Fejlesztéséért és Hasznosításáért Alapítvány (2009)

42

43SZEMÉLYES KÖSZÖNET

Édesanyám, Édesapám

Demcsák József és Demcsákné Balczó Ildikó

testvéreim és barátaim

Az 1909. Prohászka Ottokár Cserkészcsapat Ős őrse

43

43

Balczó Márton

okl. gépészmérnök

doktori értekezésének

nyilvános vitája

2015. június 24.

Konzulens:

Dr. Lajos Tamás

Városi terek átszellőzésének és légszennyezettségének modellezése

konzulens: dr. lajos tamásbalczo/publications/balczo_marton...balczó márton okl. gépészmérnök...

Documents