16612

1790 دكتري

دكتري

تبديل انرژي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

1400

ل، 215، 9ص. : مصور، جدول، نمودار

احمد سوهانكار

ابراهيم شيراني، محمدرضا راستان

محمود اشرفي زاده، محمدرضا توكلي نژاد، حسين احمدي كيا

1400/07/03

كتابنامه

مهندسي مكانيك

پرديس

1400/07/07

2738458

انتشار آلودگي در محيطهاي شهري در جريان عبوري از يك يا چند ساختمان و در فاصله بين آنها با نسبتهاي منظري مختلف (AR) اتفاق ميافتد. در اين حالات نحوه چيدمان چند ساختمان و فاصله بين آنها، نسبت منظري و عدد رينولدز از پارامترهاي تاثيرگذار در شكلگيري نوع الگوي جريان، گردابهها و ... ميباشند. بررسي جريان سيال و انتشار آلودگي بر روي تك سيلندر و دو سيلندر پشت سر هم در حالتهاي دو و سه بعدي، مطالعه تأثير فواصل مختلف بين سيلندري (G^*=1,3,5) با ارتفاعهاي مختلف و جهت جريان باد بر الگوهاي جريان و پخش آلودگي از اهداف رساله حاضر است. در بخش اول، شبيهسازي جريان سيال و انتشار آلودگي بر روي سه هندسه دوبعدي تك سيلندر مربعي، دو سيلندر پشت سرهم با نسبتهاي منظري 4 و 7 و دو سيلندر مربعي پشت سرهم با استفاده از مدل آشفتگي SST k-ω در نرمافزار فلوئنت انجام شده است. براي شبيهسازي ميدان آلودگي، معادله اسكالر غلظت و مدلهاي جريان دو فاز پيوسته و گسسته مورد ارزيابي قرار گرفته است. نتايج حاكي از آن است كه هر سه روش معادله اسكالر غلظت، دو فاز گسسته و پيوسته نتايج مشابهاي ارائه ميدهند؛ اگرچه روشهاي معادله اسكالر و جريان دو فاز گسسته به ترتيب از نظر زمان شبيهسازي بهينهتر است. در هندسههاي دو بعدي نتايج حاكي از آن است كه در خارج از مسير فون كارمن انتشار آلودگي ناچيز است. تزريق متقارن (روي خط مركزي)/نامتقارن باعث كاهش/ افزايش زمان ماندگاري ذرات در دنباله دور ميشود. با افزايش فاصله بين سيلندري ميزان انتشار و زمان ماندگاري ذرات در داخل حفره افزايش، ميانگين سرعت طولي ذرات كاهش و دامنه تغييرات مقادير سرعت طولي افزايش يافته ولي ميانگين سرعت عمودي ذرات تغيير چنداني ندارند. حداقل فاصله بين دو ساختمان جهت تأمين شرايط كيفيت هواي مناسب براي هر دو روش معادله اسكالر غلظت و جريان دو فاز گسسته سه برابر عرض ساختمانها ميباشد. در بخش دوم به كمك روش شبيهسازي اديهاي بزرگ ، جريان سيال و ميدان انتشار آلودگي بر روي دو سيلندر پشت سرهم سه بعدي با نسبتهاي منظري 4 و 7 در دو چيدمان (هندسه) مختلف ارزيابي شده است. در هندسه اول AR_1=4 و AR_2=7 و در هندسه دوم AR_1=7 و AR_2=4 ميباشد. نتايج رژيم شناسي جريان حاكي از آن است كه در هندسه اول در فاصله بين سيلندري يك و سه، الگوهاي جريان در راستاي محور سيلندر مشابه با يكديگر بوده و چهار الگوي متفاوت جريان تك جسم، بازچسبيده متناوب، نيمه پايدار بين سيلندري و ريزش انفرادي شناسايي شد. در فاصله بين سيلندري پنج، دو الگوي ريزش همگام گردابه و ريزش انفرادي شناسايي شد. در هندسه دوم در فاصله بين سيلندري يك، چهار الگوي متفاوت جريان بازچسبيده متناوب، تك جسم، ريزش انفرادي و ريزش متقارن، در فاصله بين سيلندري سه، چهار الگوي متفاوت جريان تك جسم، بازچسبيده متناوب، ريزش انفرادي و ريزش متقارن، در فاصله بين سيلندري پنج، سه الگوي ريزش همگام گردابه، ريزش انفرادي و ريزش متقارن شناسايي شده است. در هندسه تك سيلندر سه بعدي از دو روش معادله اسكالر غلظت و نرمافزار انويمت جهت مقايسه روشهاي شبيهسازي آلودگي استفاده شده است. هر دو روش نتايج مشابهي را ارائه داده اند. نتايج ميدان آلودگي حاكي از آن است ريزش گردابه و جريان پائين رونده از عوامل اصلي انتشار آلودگي بوده به نحوي كه تضعيف ريزش گردابه توسط جريان پائين رونده در نزديكي نوك ساختمان منجر به انباشت آلودگي ميگردد. تزريق بصورت خط عمودي و افقي در مقاطع ارتفاعي بالا اثر گذار بوده و عرض ناحيه انتشار آلودگي در دنباله جريان را نيز متأثر ميكند. در هر دو هندسه اول و دوم فاصله بين دو ساختمان جهت فراهم آمدن شرايط مناسب هوا از نظر آلودگي در سطح پيادهرو حداقل بيشتر از سه برابر عرض ساختمانها ميباشد.

Pollution in urban environments disperses between buildings. While the buildings in real life have different aspect ratios (AR = h/d, while h and D are the height and width of cylinder or building) and gap spacings (G* = G/d). In addition to G* and AR, the flow patterns and vortices, downwash and upwash flow, and pollution dispersion diffusion are contingent on Reynolds number (Re). The main objective of the present study is to investigate the flow field and pollution dispersion over cylinders in single and tandem arrangements. The influence of gap spacing G* = 1, 3, 5, the aspect ratio (AR = 4, 7), and flow direction (i.e. the taller cylinder ahead and smaller one in its wake, and vice versa) are studied for both infinite (2D) and finite wall-mounted (3D) cylinders. First, the unsteady 2D-flow and pollution dispersion are numerically simulated by solving Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) and SST k-ω turbulence model at Re = 2.2×104. Three pollution dispersion models, known as the concentration scalar equation (CSE), continuous, and discrete two-phase flow (DPM), are compared. It is found that the results from the three models are reasonably in agreement, although CSE and DPM are efficient in terms of computational cost. The 2D simulations show the pollutant is considerably concentrated in Kármán street. A particle scattering also reveals that the vortex cores correspond to the minimum/maximum volume fraction of the pollution/air phase. Additionally, it is observed that a G* growth between tandem cylinders with ARs 4 and 7 increases the diffusion and particles’ residence time in the gap, and decreases the time-averaged streamwise velocity of particles. The G* = 1 gives so polluted air in the gap and G* ≥ 3 is recommended. Second, the fluid flow and the pollution dispersion over two tandem 3D square cylinders with ARs 4 and 7 are simulated at Re = 2.2×104 by using a large-eddy simulation (LES) approach. The two cases are studied to deal with the effect of the flow direction: the cylinders with ARs = 4 and 7 are respectively located upstream and downstream for Case I and the arrangement is reversed for Case II. For Case I, the four flow patterns are identified along the cylinder span for G* = 1 and 3. While the configuration with G* = 5 undergoes only two different flow patterns. For Case II, the number of flow patterns changes to three at G* = 5, but does not at G* = 1 and 3. Two different approaches are employed to study the pollution dispersion, one with the CSE model through Ansys Fluent and another through ENVI-met software. Both approaches give analogous results, although ENVI-met does it with less computational cost. The results of the pollution field indicate that the vortex shedding and downwash flow are the main causes of pollution dispersion so that the attenuation of the vortex shedding by the downwash flow near the top of the building leads to the accumulation of pollution. For both Cases I and II, the suitable gap spacing in terms of the air quality should be G* ≥ 3.

احمد سوهانكار

ابراهيم شيراني، محمدرضا راستان

محمود اشرفي زاده، محمدرضا توكلي نژاد، حسين احمدي كيا