Modellazione CFD per lo studio della Modellazione CFD per lo studio della dispersione di inquinanti in ambito urbano dispersione di inquinanti in ambito urbano

(1)

Modellazione CFD per lo studio della Modellazione CFD per lo studio della dispersione di inquinanti in ambito urbano dispersione di inquinanti in ambito urbano

Franco Grisafi Franco Grisafi

DICGIM

DICGIM – – Scuola Politecnica Scuola Politecnica

Università degli studi di Palermo - Ordine degli Ingeneri di Palermo

L’Impatto Ambientale delle Emissioni in Atmosfera – Palermo, 27 maggio 2015

(2)

Strumenti utilizzati Strumenti utilizzati

••

Simulazione della dispersione in atmosfera di inquinanti leggeri Simulazione della dispersione in atmosfera di inquinanti leggeri in ambito urbano in ambito urbano

••

Studio degli effetti delle sorgenti inquinanti e delle condizioni meteorologiche sulla Studio degli effetti delle sorgenti inquinanti e delle condizion i meteorologiche sulla “ “qualit qualità à dell’ dell ’aria aria” ”

Introduzione

Oggetto dello studio:

Area urbana di Palermo compresa tra il Porto e Piazza Castelnuov

Area urbana di Palermo compresa tra il Porto e Piazza Castelnuovo/Politeama, estesa circa o/Politeama, estesa circa 320.000 m

320.000 m

²²

(295 m1084m) con sviluppo longitudinale lungo la direttrice NordEst/SudOVest. (295 m1084m) con sviluppo longitudinale lungo la direttrice No rdEst/SudOVest.

Obiettivi:

2

(3)

Trasporto Trasporto Turbolento Turbolento

R x S

D C x

C x

x u C t

C

2 j 2 3

1

j j

j j 3

1

j j

j + +

∂ + ∂

























∂

⋅ ∂

∂ Γ + ∂













∂

− ∂

∂ =

∂

∑ ∑

=

La risoluzione dell’equazione della convezione diffusione

Equazione della convezione-diffusione Equazione della convezione-diffusione

Soluzione analitica

Soluzione numerica

• • Ipotesi di semplificazione Ipotesi di semplificazione

• • Determinazione di Determinazione di Г Г mediante mediante relazioni semiempiriche funzione relazioni semiempiriche funzione

della turbolenza atmosferica della turbolenza atmosferica

Risoluzione delle equazione del moto e di trasporto di scalari passivi

mediante calcolatore

(CFD:Computational Fluid Dynamics

⁾

Risoluzione delle equazione del moto e

di trasporto di scalari passivi mediante calcolatore

(CFD:Computational Fluid Dynamics

⁾

Trasporto

Convettivo

(4)

I passi della modellazione CFD

Il software GAMBIT Il software

GAMBIT

Sezione dei volumi degli edifici con il piano campagna Sezione dei volumi degli edifici con il piano campagna

4

Piano campagna Piano campagna

Creazione dei volumi degli edifici su un piano cartesiano x,y,z

Creazione dei volumi degli edifici su un piano cartesiano x,y,z una volta definito un una volta definito un sistema di riferimento locale

sistema di riferimento locale

0 m s.l.m.

19 m s.l.m.

Geometria del sistema

Modello fisico

Soluzione numerica del Modello

fisico

(5)

( ) ( ) ⁽ ^C ^P ^C ^ρε ⁾

k ε ε σ

ν ν U ε

t ρ ρε

ε2 k

ε1 ε

t

+ −

 





 



   ∇





 



 +

⋅

∇

=

⋅

∇

∂ +

∂

Le relazioni costitutive

( )

^ρ^U ⁰

t

ρ+∇⋅ =

∂

' i ' i ij i

j

j i t '

j '

i δ u u

3 2 x u x

ν u u

ρu +











∂ +∂

∂

− ∂

=

t t t

Γ ν

= σ

Fluido incomprimibile e Newtoniano Gas Ideale

( )

T R

p p ρ w

0 ref

⋅

= +

φ Γ ' φ u' ρ

- =

_t

∇

( ) ( )

^k ^P ^ρε

σ ν k ν

U t ρ

ρk

k k

t + −











 ∇







 +

⋅

∇

=

⋅

∇

∂ +

( )

^tot ∂

(

^ρ^Uh^tot

) (

^λ ^τ ^ρ^u'^h

) ( )

^U ^τ ^S^E

t p t

ρh

+

⋅

∇ +

−

∇

⋅

∇

=

⋅

∇

∂ +

− ∂

∂

Ipotesi:

Modello di turbolenza k-є:

ε ρ k C ν

2 t

=

µ

∫

=

−

Tstat

Tref p ref

stat h c (T)dT h

( ) (

^ρ^Uφ ^Γ ^φ ^ρ^u'^φ'

)

^S^φ

t φ

ρ +∇⋅ =∇⋅ ∇ − +

∂

( ) (

^ρ^U ^U

)

^p

{

^u^' ^u^'

}

^S^M

t U

ρ +∇⋅ ⊗ =−∇ +∇⋅ τ−ρ ⊗ +

∂

Modello fisico

fisico

Viscosità turbolenta

Numero di Prandtl

turbolento

(6)

Modello numerico nella CFD

•20 m per 150<h<200 m s.l.m.

Modello fisico

fisico

•7 m per 60<h<100 m s.l.m.

•12 m per 100<h<150 m s.l.m.

•

3 m per 0<h<60 m s.l.m

.

(7)

Ingresso (Inlet)

Apertura (Opening)

Parete

(Wall) Uscita (Outlet)

Zona di ricirc.

Le condizioni al contorno

Uⁿ

Intensità di turbolenza I

T^stat del fluido in ingresso

dA A p

p 1

S spec ⁼

∫

n

0 U

_n

= ⁰ n φ =

∂

Pressione statica relativa:

Dati di input:

Strato esterno

Strato logaritmico Substrato viscoso

Regime della corrente (Subsonica, Supersonica)

C

(8)

Le sorgenti al porto

€ 32.530,6 m

1046

€/m 10 ,

31128,80€⋅ 386,40=€

32⋅⋅144€/kW,61€==17,2289kW,22€ 25.800€ 1500375€/m³ ⋅372⋅€ m³ =139= .500€ 198.505,62€ 0,08 15.880,45€ 198.505,62kW 5h/d⋅ 0,19=€/kWh 16,34 € 17,2kW⋅13h/d⋅ 0,15 33,54=€

17,2 €/ kW⋅ 17,⋅2 237=,53€/anno 13,813312⋅⋅,12814410€/kW€/m,,8061€€⋅1046==17,2⋅386289mkW,,4022==32.530,6€€ 25.800€€ 1500375€/m³ ⋅372⋅€ m³ =139= .500€ 198.505,62€ 0,08 15.880,45€ 198.505,62kW 5h/d⋅ 0,19=€/kWh 16,34 € 17,2372m ⋅139.500⋅ € =

€/m

375 ³ ⋅198.505,62³ = €

3°sorgente

2°sorgente

1°sorgente

( )

²

( )

²

2 0,2 w

2 w 1 2 w

w' 1 2

k = 1⋅ = ⋅ − = ⋅ ⋅

8

Le sorgenti al porto Le sorgenti al porto

“European Commission Directorate General Environment

techniques”,2005

4 π D

w Q

₂

⋅

=

π D

Q w ρ f Q 2

4 L D π

w 2ρ 1 D f L

V Q

∆p V

ε W ₃

2 2

2

⋅

= ⋅

⋅

⋅ ⋅

⋅

= ⋅

=

C

150 T = °

(9)

PM10 NOx

COV

SO2 0

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

g/km

EuroI,II,III,IV

Euro IV

Autobus

Autobus Mot.Mot. Veicoli pes./Veicoli pes./

legg. (Benz.) legg. (Benz.)

Veicoli pes./

legg. (Dies.) legg. (Dies.)

Autov.

Dies.

Autov.

Benz.

Autov Autov GPL GPL

f.e.(g/km) 0,96 0 0 0,43 0,10 0 0

n°°°° di veicoli 2033 100.130 3831 19751 85.624 301.556 5730

€ 32.530,6 m

1046

€/m 10 ,

31128,80€⋅ 386,40=€

32⋅⋅144€/kW,61€==17,2289kW,22€ 25.800€ 1500375€/m³ ⋅372⋅€ m³ =139= .500€ 198.505,62€ 0,08 15.880,45€ 198.505,62kW 5h/d⋅ 0,19=€/kWh 16,34 € 17,2kW⋅13h/d⋅ 0,15 33,54=€

17,2 €/ kW⋅ 17,⋅2 237=,53€/anno 13,813312⋅⋅,12814410€/kW€/m,,8061€€⋅1046==17,2⋅386289mkW,,4022==32.530,6€€ 25.800€€ 1500375€/m³ ⋅372⋅€ m³ =139= .500€ 198.505,62€ 0,08 15.880,45€ 198.505,62kW 5h/d⋅ 0,19=€/kWh 16,34 € 17,2kW⋅13h/d⋅ 0,15 33,54=€

17,2 €/ kW⋅ 17,⋅2 237=,53€/anno 13,81372m 139⋅.500=€

€/m

375 €/kW³ ⋅17,21500198.505,6217,2198.505,6213,813133752⋅⋅17,2,12814410€/mkWkW€/kW€/m€/ ,,80³kW61=³kW⋅⋅⋅€13€5⋅3721046==⋅h/d€€17,2h/d⋅25.80038617⋅2890,08m⋅,m⋅0,192³kW,,0,154022====2139€32.530,6€€15.880,45€/kWh=37=25.800.33,54,50053€/anno=€€€16,34€€ € 1500€/kW⋅17,2kW=25.800€

1500 ⋅ =

Sorgenti da traffico

vap cold

hot

E E

E

E = + +

k EUROI, HOT;i, j

i, k

j,

HOT;i, (100 RF )/100 e

e = − ×

∑

°

⋅

=

i i i

i i

n . n f.e f.e.

Le sorgenti di traffico:

9

La metodologia CORINAIR:

•Autovetture (Passenger cars)

•Veicoli commerciali leggeri (light duty vehicles)

•Veicoli commerciali persanti (heavy duty vehicles)

•Ciclomotori (Mopeds)

•Motocicli (Motorcycles)

Via Libertà

Via E.Amari

Via F.Crispi

Via Roma Via

D.Scinà

Via Dante

(10)

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

0 2 4 6 8 10 12

Mes e

U(m/s) Boccadifalco2003

Boccadifalco2004

••Olio combustibileOlio combustibile

•

•Gasolio marinoGasolio marino

•

•10 veic./10 m10 veic./10 m

••5 veic./10 m5 veic./10 m

•

•Traffico cittadinoTraffico cittadino

Inquinanti

considerati:

Le simulazioni con ANSYS CFX

Simulazioni eseguite Simulazioni eseguite Condizioni

Condizioni Meteorologiche Meteorologiche

••

Intensit Intensit à à del vento del vento a z=10m

a z=10m

Sorgenti Sorgenti inquinanti:

inquinanti:

•

•2 m/s2 m/s

••5 m/s5 m/s

•

Direzione del vento Direzione del vento

••

Profilo verticale di Profilo verticale di temperatura temperatura

••Vento da mareVento da mare

•

•Vento trasversaleVento trasversale

••3 Sorgenti al porto3 Sorgenti al porto

••Sorgenti al Sorgenti al porto+Traffico porto+Traffico

cittadino cittadino

••Fattore di Fattore di emissione medio emissione medio

pesato pesato

•

•Fattore di Fattore di emissione soli emissione soli veicoli Euro IV e veicoli Euro IV e mezzi con M<3,5 mezzi con M<3,5

tonntonn

••Polveri sottili e Polveri sottili e SOSO2 2 (smog classico)(smog classico)

•

•NOx e COV NOx e COV

••(smog fotochimico)(smog fotochimico)

(11)

V ia D . S

cinà

Il campo di moto nel dominio di calcolo

Via Amari

Via Principe di Scordia

Via Roma

Via Amari

Via F.Crispi

Via Libertà

(12)

0,00E+00 1,00E-08 2,00E-08 3,00E-08 4,00E-08 5,00E-08 6,00E-08

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

s(m)

C(ug/m3)

C(P M10) Via Amari Media int egrale

0,00E+00 2,00E-09 4,00E-09 6,00E-09 8,00E-09 1,00E-08 1,20E-08

0 100 200 300 400

s (m ) C(ug/m3)

C(P M10) Via Libert à C(P M10) Via Roma

Risultati con le sorgenti al porto

(13)

Via A mari

Via Libertà

Via Roma 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

ug/m3

C(PM10) 1 veic./10 m

C(PM10) 1 veic./5m

0,00E+00 2,00E-08 4,00E-08 6,00E-08 8,00E-08 1,00E-07 1,20E-07

0 200 400 600 800 1000

s(m)

C(ug/m3)

C(PM10) Media integrale

Via A mari

Via Libertà

Via Roma 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

ug/m3

Rid.% (Media)

Rid.% 1(Max)

Via Libertà

Le sole sorgenti di traffico

0,00E+00 2,00E-08 4,00E-08 6,00E-08 8,00E-08 1,00E-07 1,20E-07 1,40E-07 1,60E-07 1,80E-07 2,00E-07

0 50 100 150 200 250 300 350

x(m)

C(ug/m3)

C(PM10) M edia integrale

0,00E+00 5,00E-09 1,00E-08 1,50E-08 2,00E-08 2,50E-08 3,00E-08

0 50 100 150 200 250 300 350

x(m)

C(ug/m3)

C(PM 10) M edia integrale 0,00E+00

2,00E-08 4,00E-08 6,00E-08 8,00E-08 1,00E-07 1,20E-07

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

s (m)

C(ug/m3)

C(PM10) 1 veic./10 m

C(PM10) 1 veic./5m

0,00E+00 2,00E-08 4,00E-08 6,00E-08 8,00E-08 1,00E-07 1,20E-07 1,40E-07 1,60E-07 1,80E-07 2,00E-07

0 50 100 150 200 250 300 350

x(m)

C(ug/m3)

C(PM 10) 1 veic./ 10 m

C(PM 10) 1 veic./5 m

0,00E+00 5,00E-09 1,00E-08 1,50E-08 2,00E-08 2,50E-08 3,00E-08

0 50 100 150 200 250 300 350

s(m)

C(ug/m3)

C(PM 10) 1 veic./10m C(PM 10) 1 veic./5 m

Via Amari

Via Roma

1 veic./10 m 1 veic./5 m

Rid.%

(Media)

Rid.%

(Max)

Media Max Media Max

Via Amari 15,77µg/m³ 57,8µg/m³ 27 µg/m³ 111µg/m³ 41% 48%

Via

Libertà 8,45 µg/m³ 11,8µg/m³ 12,9µg/m³ 23,9µg/m³ 34,5% 50,6%

Via Roma 25 µg/m³ 59µg/m³ 47,9µg/m³ 181 µg/m³ 47,8% 67,4%

Vento da mare Vento trasversale

Rid.%

(Media)

Rid.%

(Max)

Via Amari

27µg/m³ 111µg/m³ 11,3µg/m³ 38,7µg/m³ 58% 65%

Via Libertà

12,9µg/m³ 23,9µg/m³ 3,73µg/m³ 6,22µg/m³ 71% 74%

Via Roma

47,89µg/m³ 181µg/m³ 22,63µg/m³ 66,3 µg/m³ 52% 63%

(14)

i=1 veic./10 m V= 2 m/s

Risultati con entrambe le sorgenti

i=1 veic./5 m V= 5 m/s

v=2m/s v=5m/s

Rid.%

(Meda)

Rid.%

(Max)

Via

Amari 52µg/m³ 214µg/m³ 26,85µg/³ 66,2µg/m³ 48% 69%

Via

Libertà 21,5µg/m³ 32,7µg/m³ 14,9µg/m³ 49,5µg/m³ 30,6% -51%

Via

Roma 119µg/m³ 566µg/m³ 37µg/m³ 149µg/m³ 68,9% 73,6%

0,00E+00 1,00E+01 2,00E+01 3,00E+01 4,00E+01 5,00E+01 6,00E+01 7,00E+01

0 5 10 15 20 25 30 35

s (m)

C(ug/m3)

mag-08

giu-08

(15)

Via A mari

Via Libertà

Via Roma 0

20 40 60 80 100 120

ug/m3 C(PM10) G.T.=-1 °C/100 m

C(PM10) Inversione termica

C(PM10) G.T.=-1,66

°C/100m

0,00E+00 2,00E-08 4,00E-08 6,00E-08 8,00E-08 1,00E-07 1,20E-07 1,40E-07 1,60E-07 1,80E-07

0 200 400 600 800 1000

x(m)

C(ug/m3)

G.T.=-1°C/100m G.T.=-1,66 °C/100m Inversione termica a z=100 m

0,00E+00 1,00E-07 2,00E-07 3,00E-07 4,00E-07 5,00E-07 6,00E-07

0 50 100 150 200 250 300 350

s (m)

C(ug/m3) G.T.=-1,66 °C/m

G.T.=-1 °C/100 m Invers ione termica a z=100 m

0,00E+00 5,00E-09 1,00E-08 1,50E-08 2,00E-08 2,50E-08 3,00E-08 3,50E-08

0 50 100 150 200 250 300 350

x(m)

C(ug/m3)

G.T.=1,66 °C/100 m"

G.T.=-1 °C/100 m

Inversione termica a z=100 m

L’influenza del gradiente termico verticale sui valori di concentrazione

V= 2 m/s G.T.=-1 °C/100m

V= 2 m/s

Inversione termica a z=100 m

V= 2 m/s G.T.=-1 66°C/100m

(16)

NOx

Traffico Traffico+Porto Contr.

porto%

(Media)

Contr.

Porto%

(Max)

Via

Amari 241µg/m³ 1140µg/m 628µg/m³ 2460µg/m³ 61% 54%

Via

Libertà 103µg/m³ 159µg/m³ 236µg/m³ 401µg/m³ 56% 60%

Via Roma 449µg/m³ 810µg/m³ 959µg/m³ 3410µg/m³ 53% 76%

SO2

porto%

(Media)

Contr..

Porto%

(Max)

Via Amari 8,06µg/m³ 38,1µg/m 22,4µg/m³ 84,6µg/m³ 64% 55%

Via

Libertà 3,46µg/m³ 5,3µg/m³ 8,47µg/m³ 14,4µg/m³ 59% 63%

Via

Roma 15µg/m³ 60µg/m³ 32,7µg/m³ 116µg/m³ 54% 48%

COV

porto%

(Media)

Contr.

Porto%

(Max)

Via

Amari 217µg/m³ 1060µg/m 315µg/m³ 1810µg/m³ 31% 41%

Via

Libertà 93,4µg/m³ 143µg/m³ 107µg/m³ 189µg/m³ 12,7% 24%

Via Roma 406µg/m³ 1600µg/m³ 751µg/m³ 1610µg/m³ 45% 0%

Euro IV; i=1 veic./5m V=2 m/s da mare

Il contributo del porto sull’inquinamento urbano

PM10

Porto%

(Media)

Contr.

Porto%

(Max)

Via

Amari 8,1 µg/m³ 38,1 µg/m³ 31,7 µg/m³ 106 µg/m³ 72% 60%

Via

Libertà 3,5 µg/m³ 5,3 µg/m³ 12,2 µg/m³ 20,5 µg/m³ 68% 71%

Via

Roma 15 µg/m³ 60 µg/m³ 39,2 µg/m³ 135 µg/m³ 57% 51%

(17)

Il contributo del porto sull’inquinamento urbano

(18)

Conclusioni

Sono state effettuate simulazioni di dispersioni di inquinanti Sono state effettuate simulazioni di dispersioni di inquinanti atmosferici in un ambito urbano reale mediante un approccio atmosferici in un ambito urbano reale mediante un approccio avanzato basato su metodi di fluidodinamica numerica.

avanzato basato su metodi di fluidodinamica numerica.

Sono state considerate diverse condizioni atmosferiche (direzion

Sono state considerate diverse condizioni atmosferiche (direzione e e e intensit

intensità à del vento, profilo di temperatura) e tipologie di sorgenti del vento, profilo di temperatura) e tipologie di sorgenti (traffico navale e automobilistico) ottenendo mappe di (traffico navale e automobilistico) ottenendo mappe di concentrazione in prossimit

concentrazione in prossimità à del suolo molto dettagliate e del suolo molto dettagliate e realistiche.

realistiche.

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In particolari condizioni metereologiche (vento da mare) il contributo ributo dovuto al traffico portuale sull

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Modellazione CFD per lo studio della Modellazione CFD per lo studio della dispersione di inquinanti in ambito urbano dispersione di inquinanti in ambito urbano