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 Áramlástan Tanszékén az elmúlt 3 évben kifejlesztették, és számos hazai és külföldi szervezet megbízásából sikerrel alkalmazták azokat a szélcsatorna modellkísérletre és az áramlás numerikus szimulációjára alapuló vizsgálati módszereket, amelyekkel városépítési és közlekedésszervezési változások környezõ városrészek levegõszennyezettségére és átszellõzésére gyakorolt hatása, valamint az épületekre, szerkezetekre ható szélterhelés nagy megbízhatósággal elõre jelezhetõ. E módszerek, mint szolgáltatások 2004. évben INDUSTRIA Nagydíjban részesültek. Ez a közlemény összefoglalja a vizsgálati módszerek elvi alapjait és gyakorlati megvalósításukat. A városok légszennyezettségét befolyásoló városépítési és közlekedésszervezési változások elõre jelzésének fontosságát különösen kiemeli, hogy a városokban lakók száma és a forgalom által okozott légszennyezettség folyamatosan nõ, valamint az, hogy a klímaváltozás az életminõséget hátrányosan befolyásoló következményekkel jár. Az épületekre, szerkezetekre ható szélerõ-méréssel, vagy -számítással történõ meghatározása pedig azért fontos, mert a szélterhelés pontos elõrejelzése lehetõvé teszi mind a szabvány alkalmazásából sokszor következõ túlméretezést, mind pedig a szokatlan alakú épületeknél esetlegesen bekövetkezõ túlterhelés és az ebbõl adódó katasztrófák megelõzését. A két, különbözõ célú vizsgálati módszert az alkalmazott eszközök: a szélcsatorna modellkísérletek, az atmoszférikus határréteg áramlásának fizikai és numerikus modellezése köti össze. A SZÉLCSATORNA ÉS AZ ATMOSZFÉRIKUS HATÁRRÉTEG MODELLEZÉSE
A terjedési folyamatok és a szélterhelés szélcsatorna-vizsgálatához elõször a talaj feletti légrétegben kialakuló ún. atmoszférikus határréteg-áramlást kell szimulálni, ami azt jelenti, hogy a szélcsatorna mérõterében létre kell hozni a valóságban a talajfelszín fölött kialakuló áramlásnak megfelelõ sebesség- és turbulencia-eloszlást. Az 1. ábrán látható az Áramlástan Tanszék Kármán Tódor Szélcsatorna Laboratóriuma vízszintes recirkulációs szélcsatornája. A 30 m × 12 m alapterületû berendezés max. 600 kW teljesítményû ventilátorával 5 – 200 km/h között egyenletes sebességmegoszlású és kis turbulenciájú áramlás állítható elõ a 2,6 m átmérõjû és 4 m hosszúságú mérõtérben. A szélcsatorna konfúzorában elhelyezett rács és a 2,5 m széles és 5,7 m hosszú talajt szimuláló síklapon elhelyezett érdességi elemek segítségével (ld. 2. ábra) különbözõ (pl. elõvárosi, városi) atmoszférikus határréteg áramlások hozhatók létre. A 3. ábrán látható példaként a városi atmoszférikus határréteg szélcsatornában modellezett függõleges menti sebesség- és turbulenciafok megoszlása [1].
1. ábra. Az Áramlástan Tanszék vízszintes recirkulációs szélcsatornája
A szélcsatorna-vizsgálatok meghatározott modelltörvények betartása esetén alkalmasak a városrészekben várható áramlási viszonyok, a szennyezõanyag-ter jedési folyamatok, a szennyezõanyag koncentrációeloszlás, valamint a szélnek kitett épületek, szerkezetekre ható erõk szükséges pontossággal történõ meghatározására, ezért széles 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
2. ábra. A szélcsatorna konfúzorában lévõ rács és a mérõtérben elhelyezett érdességi elemek
Lektorált cikk.
GÉP, LVI. évfolyam, 2005.
1. SZÁM
3
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 szimuláló, 2,5 m szélességû, 5,7 m sík lap, amelyben egy 2 m átmérõjû, forgatható körasztal helyezkedik el. Erre építettük fel a modellezett városrész 1:500 méretarányú modelljét (a Millenniumi városközpont és környezete modelljét a Petõfi és Lágymányosi híd modelljével a 4. ábra mutatja). A modellezett terület átmérõje a valóságban 1 km.
tése elõtti és utáni helyzet modellezésével, különbözõ szélirányoknál mérjük mintavételezéssel és a levegõ minták lángionizációs berendezésben való vizsgálatával a nyomgáz-koncentrációt a modell számos kijelölt pontjában. A megfelelõen dimenziótlanított mért koncentrációértékek, valamint a közlekedési kibocsátások intenzitása, a különbözõ szélirányok és szélsebességek gyakorisága alapján meghatározható, hogy adott pontokban éves átlagban mekkora a városépítési, forgalomszervezési változások elõtt és után a légszennyezettség értéke, azaz prognosztizálható a beavatkozások hatása. Számos vizsgálatot végeztek, amelyben összehasonlították a valóságos és a szélcsatornában, modellen mért légszennyezettségi értékeket, és megállapították azokat a kritériumokat [2] – [4], amelyek betartása esetén a modellen mért értékek megbízhatóan átvihetõk a nagy kivitelre. A városközpont 4. ábrán látható vizsgálatánál a Soroksári úton, a Haller utcában és a hidakon modelleztük vonalforrásokkal [5] a jármûvek kipufogógáz-kibocsátását, és a modellezett városrész 24 pontjában vizsgáltuk a légszennyezettség változását a városközpont felépítése elõtt és után.
5. ábra. A nyomgázkibocsátás és koncentrációmérés
4. ábra. A Millenniumi városközpont és környezet modellje a szélcsatornában A 4. ábrán látható esetben a vizsgálatok feladata annak a hatásnak az elõrejelzése volt, amelyet a Városközpont felépülése Ferencváros szomszédos részein a levegõ szennyezettségére gyakorol. Az ilyen vizsgálatokat az 5. ábrán vázolt módon végezzük: a valóságos légszennyezõ forrásokból (kémények: pontforrások, közlekedési szennyezõ vonalforrások) kilépõ szennyezõket nyomgázzal helyettesítjük és az épületek felépí-
4
6. ábra. A modell részlete A 6. ábrán a modell egy részlete, a 7. ábrán a nyomgáz bevezetéshez és a mintavételhez használt mérõrendszer látható.
1. SZÁM
GÉP, LVI. évfolyam, 2005.
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 20–40 s idõtartam alatt több ezer nyomásértéket regisztrálunk, amelybõl az átlagnyomás és a nyomásingadozás mértéke meghatározható.
8. ábra. A Budapest Sportaréna szélkomfortvizsgálata
GÉP, LVI. évfolyam, 2005.
1. SZÁM
5
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.
b)
a)
c) 12. ábra. Egy esseni jégstadion modellje, valamint a mért és a számolt nyomásmegoszlás SZENNYEZÕ TERJEDÉS ÉS SZÉLERÕ MEGHATÁROZÁSA AZ ÁRAMLÁS NUMERIKUS SZIMULÁCIÓJÁVAL Az elmúlt néhány évben az áramlás számítása területén rendkívül gyors fejlõdésnek lehetünk tanúi. Ez lehetõvé tette az áramlástan alapegyenleteinek, a kontinuitás (tömegmegmaradás), a mozgásegyenlet (impulzus megmaradás), esetlegesen az energiaegyenlet (energia megmaradás), valamint egyéb mennyiségek (turbulencia, kémiai anyagok, szilárd szemcsék) transzportegyenleteinek numerikus megoldására épülõ szoftverek gyakorlati feladatok megoldására való hatékony felhasználását. Az áramlás numerikus szimulációját a kibontakozó technológiák között kiemelt helyen említik. Az eljárás alapja az, hogy a vizsgált teret, ahol a közeg áramlik, felosztjuk apró térfogatrészekre, és ezek segítségével állítjuk elõ a deriváltakat. Az általunk alkalmazott FLUENT szoftver a véges térfogatok elvén mûködik, melynek alapvetõ tulajdonsága, hogy a fent említett egyenleteket integrál és konzervatív formában oldja meg. Ezen a módon a kis térfogat cellák falain egyszerûen ellenõrizhetõvé válik a be- és kilépõ tömeg-, illetve impulzusáram mennyisége. A fluxusok ily módon való kezelése biztosítja egyben azt is, hogy a megmaradó mennyiségeket csak kis numerikus hiba terhelje. Ezt a módszert e kedvezõ tulajdonsága miatt széles körben alkalmazzák a numerikus áramlástan területén. Jelentõs nehézséget jelent azonban a turbulencia jelenségének figyelembe vétele, ugyanis a turbulens sebességingadozások frekvenciájának skálája igen széles, vagyis a turbulens áramkép-struktúrák, örvények mérete nagy tartományt fog át. Mindez azt eredmé-
GÉP, LVI. évfolyam, 2005.
nyezné, hogy az áramlást leíró differenciálegyenleteinket nagyon finom felosztású hálózat segítségével kellene megoldani. Ez a jelenlegi módszerek és számítógép-kapacitások mellett nem alkalmazható gazdaságosan, így a turbulenciát modellezni kell. A turbulenciamodellek jelenleg a Reynolds-féle látszólagos feszültségek kiszámítására irányulnak, amelyet többféle módon végeznek el. A jelenleg elérhetõ turbulenciamodellek közül egyik sem mondható általános érvényûnek, így a modellezendõ jelenség tulajdonságai alapján kell eldöntenünk, hogy melyik utat választjuk ennek az igen fontos áramlási jellemzõ hatásának figyelembe vételére. A jelenleg alkalmazott FLUENT kóddal az áramlástani és hõtani problémák széles körét lehet megoldani: • Háromdimenziós stacionárius és instacionárius lamináris és turbulens áramlások számítása • Az összenyomhatóság figyelembe vétele • Hõátadás, hõvezetés, sugárzás számítása • Égés, kémiai reakciók egyidejû meghatározása • Kétfázisú közegek (porszemcsék áramló közegekben, gázbuborékok folyadékban) • Kavitációs áramlások • Áramlás szûrõkben, membránokon keresztül Az áramlás numerikus szimulációját sikerrel alkalmaztuk mind az épületekre, szerkezetekre ható szélerõk, mind pedig a szennyezõk légköri terjedésének meghatározására. A 12. b) és c) ábrát összehasonlítva megállapítható, hogy a FLUENT szoftverrel nyert szimuláció eredményeként kapott nyomásmegoszlás jól egyezik a mérttel. Hasonló eredményt kaptunk a Sportaréna felületén kialakuló nyomásmegoszlás mérésével és számításával kapott eredmények összehasonlításával.
1. SZÁM
7
A 13. ábrán a kipufogógázok dimenziótlan koncentrációjának [8] FLUENT általános célú szoftverrel számolt megoszlása látható a Millenniumi Városközpontban és Ferencváros szomszédos részein D–DNy szélirány esetén. Látható, hogy viszonylag nagy koncentráció alakul ki a nagy forgalmú Soroksári út déli részén [7]. Hasonló számításokat végeztünk szennyezõk városi terjedésének meghatározására kifejlesztett MISKAM szoftverrel is.
13. ábra. FLUENT szoftverrel számolt kipufogógáz koncentráció megoszlás A 14. ábrán a Millenniumi városközpont modelljének 24 mintavételi pontjában a szélcsatornában mért (négyzetek), a MISKAM szoftverrel számolt (keresztek), valamint a FLUENT szoftverrel számolt évi átlagos dimenziótlan koncentrációértékeket vittük fel. (Utóbbiakat függõleges intervallumokkal jelöltük, amelyek a mintavétel helyén az utcán keresztül felvett, a mintavételi pontot tartalmazó egyenesek mentén mutatja a koncentráció számolt változását.) Annak ellenére, hogy a számításokat igen bonyolult, több, mint 200 háztömböt tartalmazó geometrián végeztük el, a számított koncentrációértékek a mintavételi pontok nagy részében jól közelítik a mérteket. A helyenként jelentõs eltérések ugyanakkor további kutatások szükségességét indokolják. A gyorsan fejlõdõ numerikus szimulációs eljárásokat alkalmazva a tanszék megállapította, hogy megfelelõ szoftverrel végzett számítások számos esetben alkalma-
sak a szélcsatornamérések kiváltására. E vizsgálatok kiemelkedõ sajátossága, hogy míg számos kutatócsoport vagy mér, vagy számol, az Áramlástan Tanszéken mindkettõ megközelítést egyidejûen alkalmazzuk. A két módszer több szempontból is kiegészíti egymást, ezért az együttes alkalmazás számos szinergiát szül. Szerzõk köszönetet mondanak az OTKA támogatásáért (T037651 és T 037730). HIVATKOZOTT SZAKIRODALOM [1] VDI- Richtlinien VDI 3738 Blatt 12 [2] Plate, E.J., 1982, „Engineering Meteorology” Elsevier Scientific Publishing Company [3] Schatzmann, M., Leitl, B., 2002, „Validation and application of obstacle resolving urban dispersion models,” Atmospheric Environment Vol. 36, Iss. 30, pp 4811-4821. [4] Ketzel, M., Berkowitz, R., Lohmeyer, A., 2000, „Comparison of Numerical Street Dispersion Models with Results from Wind Tunnel and Field Measurements,” Environmental Monitoring and Assessment 65. 367–370. [5] Meroney, R.N., Pavageau, M., Rafailidis, S., Schatzmann, M., 1996, „Study of line source characteristics for 2D physical modeling of pollutant dispersion in street canyons,” Journal of Wind Eng. and Ind. Aer. 62. 37–56. [6] Szepesi, Zs., 2000, „Épületek körüli áramlás és szennyezõanyag-terjedés kísérleti vizsgálata,” PhD disszertáció, Budapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem [7] Kastner-Klein, P., 1999, „Experimentelle Untersuchung der strömungsmechanischen Transportvorgänge in Straßenschluchten,” Diss., Inst. für Hydromechanik, Universität Karlsruhe [8] Lajos, T., Szepesi, Zs., Goricsán, I., Regert, T., Suda, J., Balczó, M.. 2003, “Wind tunnel measurement and numerical simulation of dispersion of pollutantants in urban environment” Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF’03), Budapest, Hungary, September 3–6, 507–514.
14. 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.
