بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله شبیهسازی کامپیوتری تاثیر سرعت باد بر روی پخش آلایندههای خروجی از خودروها در چند خیابان موازی با استفاده از نرمافزار فلوئنت انجام شده است. مدل توربولانسی دو معادلهای k- RNG به همراه مدل انتقال گونهها بدون واکنش، بهترتیب برای بررسی میدان باد و پخش آلودگی در داخل مجراهای خیابان به کار گرفته شدهاند. نتایج سرعت 0/5 متر بر ثانیه نشان میدهند که در همه مجراها از جمله مجرای پنجم، سیرکولاسیون ساعتگردی بهوجود آمده که سبب انتقال آلودگی به سمت چپ مجرا شده است.
همچنین خطوط جریان در قسمت بالای مجرای پنجم موازی با زمین هستند که به آلودگی داخل مجرای خیابان اجازه خروج از مجرا را نمی دهند. با افزایش سرعت تا 3 متر بر ثانیه، تغییر خاصی در الگوی جریان مشاهده نمیشود. همچنین با افزایش سرعت به 8 متر بر ثانیه دیده میشود که در مجرای اول سیرکولاسیونهای قوی-تری تشکیل شده است. چون این سیرکولاسیونها توانستهاند خود را به بالای مجرای خیابان برسانند، در مجراهای بعدی سیرکولاسیونهای قویتری تشکیل میشود که موجب کاهش غلظت آلودگی در مجرای خیابان پنجم میشود. بهطور کلی نتایج نشان میدهند که رقیقسازی آلودگی در سرعت 8 متر بر ثانیه نسبت به سرعتهای 0/5 و 3 متر بر ثانیه بهتر انجام میشود.
-1 مقدمه
بر اساس آییننامه طراحی راههای شهری، راههای شهری شش نقش اصلی به شرح زیر بر عهده دارند: فراهم آوردن امکان جابجایی برای وسایل نقلیه موتوری - نقش جابجایی - ، فراهم آوردن امکان دسترسی وسایل نقلیه موتوری به بناها و تاسیسات - نقش دسترسی - ، ایجاد بستری برای ارتباطهای اجتماعی نظیر کار، گردش، بازی و ملاقات - نقش اجتماعی - ، شکل دادن به ساختار معماری - نقش معماری شهری - ، تاثیر در آب و هوای محیط اطراف راه - نقش تاثیرات آب و هوایی - ، تاثیر در اقتصاد شهر - نقش اقتصادی - .
راهها معمولا بیش از یک نقش بر عهده میگیرند و بعضی از این نقشها با یکدیگر در تعارض هستند. طراح در هنگام تعیین گروهبندی و همچنین تعیین اجزای راه باید به همه نقشهایی که در راه عملا بعهده خواهد گرفت، توجه کند. بدون چنین توجیهی، راه ممکن است نتواند حتی مطابق نقش مورد نظر طراح عمل کند.[1] با توجه به اینکه از شش نقش فوق سه نقش جابجایی، دسترسی و اجتماعی معیارهای اصلی طبقه بندی راههای شهری هستند، متاسفانه در طراحی شبکه معابر به نقش تاثیرات آب و هوایی توجه کمتری شده است.
از آنجاییکه آلودگی هوا یکی از معضلات اصلی کلان شهرهای کشورمان بوده و ترافیک یکی از مهمترین منابع آلودگی هوا محسوب میشود، ضروری است هم در برنامهریزیهای بلند مدت و هم در برنامه ریزیهای بلند مدت به نقش تاثیرات آب و هوایی توجه گردد . بطور کلی جهت قرارگیری و طراحی فضای راه ها و نحوه استقرار بناهای اطراف آن، در آب و هوای محیط اطراف راه تاثیر میگذارد. در بافتهای متراکم، خیابانها کانالهای تهویه هستند و با سرعت بخشیدن به جریان هوای تازه، محیط را شاداب میکنند. بناهای اطراف با جلوگیری از بادهای سرد و گرم، محیط محفوظی ایجاد میکنند. همچنین خیابانها و بناهای اطراف آن در میزان نور و تنظیم تابش آفتاب تاثیر میگذارند.
شبکه معابر باعث شکلگیری بافت یک شهر میشوند. بافتهای ستارهای، حلقوی، شطرنجی و خطی از این قبیل هستند.[2] یکی از مواردی که از دیدگاه حملونقل و ترافیک، در بافتهای گوناگون میتواند اهمیت پیدا کند، وضعیت عبور جریان هوا، درصد آلودگی در هر یک از محورهای شبکه معابر شهری و ... میباشد، که هم در برنامهریزیهای بلند مدت مانند طرحهای جامع شهری و ... و هم در برنامهریزیهای کوتاه مدت و مدیریت ترافیک مانند تعیین محدودههای ترافیکی، ممنوعیتهای ساعتی و ... باید مد نظر قرار گیرد.
کارهای زیادی برای شبیه سازی آلودگی با استفاده از شبیهسازی کامپیوتری - دینامیک سیالات محاسباتی - صورت گرفته است. بایک و کیم[3]، چان و همکارانش[4]، با استفاده از مدل توربولانسی دو معادلهای k- برای میدان جریان به بررسی آلودگی در خیابان پرداختند.
برکوویچ و همکاران[5] چند تست عملی در شرایط آزمایشگاهی روی جریان باد منحرف شده و ارتفاعهای نامساوی ساختمان انجام دادند. آنها نتیجه گرفتند که رقیقسازی آلودگی در مجرای خیابان با کوتاهتر شدن مجرای خیابان و بیشتر کردن سرعت باد، بهتر میشود. کیم و بایک[6] اثر شدت آشفتگی جریان ورودی را روی توربولانس بررسی و نشان دادند که با افزایش شدت توربولانس جریان ورودی، انتشار آشفتگی افزایش یافته و غلظت در مجرا کاهش یافته است. در کار حاضر به بررسی تاثیر هندسه خیابان بر نحوه انتشار آلایندههای ایجاد شده توسط وسایل نقلیه در شهر اصفهان برای دو نوع خیابان و با استفاده از نرمافزار فلوئنت1 پرداخته شده است.
-2 معادلات حاکم برای میدان جریان
به دلیل خاصیت آشفتگی جریانهای واقعی، باید از معادلات بقا متوسطگیری کرد. با متوسطگیری از معادله مومنتوم یک ترم اضافی به وجود میآید. عبارت تنشهای آشفتگی است و با فرضیه بوزینسک به گرادیانهای سرعت متوسط مربوط میشود.
برای هر یک از مقادیر K - انرژی جنبشی آشفتگی - و - اتلاف ویژه آشفتگی - یک معادله حل میشود - مدل دو معادلهای - . در مدلK- RNG یک ترم اضافی در معادله وجود دارد که دقت را در جریانهای با اعداد رینولدز کم، افزایش میدهد.
-3 معادلات حاکم برای انتقال آلودگی
برای مسائل چند فازی معادله غلظت بهصورت کوپل با بقیه معادلات بقا حل میشود. نرمافزار فلوئنت با استفاده از انتقال گونهها بدون واکنش، انتقال گونهها در جریان را حل میکند. معادلات جابهجایی-انتشار متناظر با غلظت بهصورت زیر است:
-4 روش حل عددی
روش عددی سیمپل2 به همراه گسستهسازی مرتبه دوم برای میدانهای جریان و غلظت استفاده شده است. مدلهای توربولانسی دو معادلهای برای مدلسازی میدان جریان و مدل انتقال گونهها برای مدلسازی میدان غلظت به کار برده شده است. برای تنشهای برشی در سطح دیوار صاف از روش بهبود شرایط دیوار استفاده میشود که زیر لایه لزج را با در نظر گرفتن تابع استهلاک حل میکند.
-5 تشریح مساله
یک مجرای خیابان اساسا به یک خیابان نسبتا تنگ گفته میشود که ساختمانها در دو طرف به صورت ادامهدار قرار دارند. ارتفاع ساختمان برابر H و پهنای ساختمان برابر W است. انتخاب نام ساختمانها براساس جهت وزش باد است. به ساختمانی که در مسیر باد است، ساختمان بالادست جریان گفته میشود. به ساختمانی که پشت به باد قرار دارد، ساختمان پاییندست جریان گفته میشود
شکل:1 تعریف هندسه ساختمان
به دیوار ساختمان بالا دست جریان در سمت مجرا دیوار پناه گفته میشود. به دیوار ساختمان پایین دست جریان در سمت مجرا دیوار در جهت باد گفته میشود. دامنه اطراف هندسه در شکل 2 آمده است.
شکل:2 نمایش دامنه اطراف هندسه و معرفی سطوح
در جدول 1 بخشهای مختلف دامنه و شرایط مرزی آمده است. برای شبکهبندی دامنهی حل از شبکه بیسازمان3 استفاده شده است که در شکلهای 3 و 4 مشاهده میگردد. همانطور که دیده میشود شبکهبندی در نواحی کنار دیوار و کنار منبع که شامل گرادیانهای شدیدتری است، دارای تراکم بیشتری است و در نواحی مرکزی به خاطر نبود گرادیانهای شدید، دارای تراکم کمتری است.
جدول:1 شرایط مرزی سطوح مختلف
شکل:3 مقایسه تراکم شبکه در نواحی اطراف
شکل :4 تراکم شبکه در کنار دیوارها و منبع آلودگی
-6 نتایج
برای بررسی استقلال شبکه، سه شبکه با تعداد 200000، 380000 و 600000 سلول محاسباتی برای هندسه با نسبت منظری 4 و سرعت 2/5 متر بر ثانیه در نظر گرفته شده است. در شکل 5 مشخص است که نتایج حاصل از تعداد مش های 380000 و 600000 مش، اختلاف بسیار کمی دارند. باتوجه به نتیجه بدست آمده میتوان نتیجه گرفت که با در نظر گرفتن تعداد 380000 مش، شرط استقلال شبکه برقرار است.
شرط مرزی مورد نظر برای قسمت خروج جریان، شرط جریان خروجی4 میباشد. با این شرط، مشتقات همه متغیرهای جریان همانند یک جریان توسعهیافته به صفر می رسد. بنابراین این مرز باید به اندازه کافی دور از منطقه ساختمان باشد تا حالت توسعه یافتگی جریان اتفاق افتد. همانطور که در شکل 6 مشخص است، در خروجی خطوط جریان صاف شدهاند و هیچ جریان برگشتی در خروجی نداریم و در این قسمت جریان به توسعهیافتگی رسیده است و از ناحیه دنباله پشت دیوار ساختمان پاییندست جریان به اندازه کافی دور است. برای سرعتهای پایینتر نیز مطمئنا چنین اتفاقی میافتد.
شکل:5 نمودار غلظت روی دیوار در جهت باد برای نسبت منظری 4 و سرعت 2/5 متر بر ثانیه
شکل:6 تحلیل خطوط جریان در خروجی برای نسبت منظری 4 و سرعت 25 متر بر ثانیه
برای بررسی چگونگی انتشار و پخش آلودگی در محیط شهری از چند ساختمان پشت سرهم - شکل - 7 استفاده میکنیم که در آن سرعت ورودی به دامنه 0/5، 3 و 8 متر بر ثانیه است. مقادیر غلظت در مجرای خیابان پنجم بررسی میشود.
شکل:7 نمایش خیابان:های یک شهر
-1-6 تحلیل سرعت 0/5 متر بر ثانیه
با توجه به شکل 8 مشخص است که در همه مجراها از جمله مجرای پنجم، سیرکولاسیون ساعتگردی بهوجود آمده که سبب انتقال آلودگی به سمت چپ مجرا شده است. با توجه به شکل 9، مشخص است که خطوط جریان در قسمت بالای مجرای پنجم موازی با زمین هستند. این خطوط موازی به آلودگی داخل مجرای خیابان اجازه خروج از مجرا را نمی دهند. شکل 10 نشان میدهد که غلظت آلودگی بیبعد در سمت چپ مجرا بهعلت وجود سیرکولاسیون ساعتگرد زیاد است. نمودار شکل 11 نیز نشان میدهد که غلظت آلودگی در سمت چپ مجرا نسبت به سمت راست مجرا بیشتر است.
شکل:8 نمایش خطوط جریان در مجراهای خیابان شهری
شکل:9 نمایش خطوط جریان در سرعت 0/5 متر بر ثانیه در مجرای شهری
