Large-eddy Simulationsstudie zur Auswirkung von verkehrsinduzierter Turbulenz und Auspuffgasen auf die Windströmung und die Ausbreitung von Luftschadstoffen in Straßenschluchten

• Antragsteller: Professor Dr. Björn Maronga
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 400719678

Die stetige physische Urbanisierung bzw. Stadtverdichtung sowie der massive Straßenverkehr sind wesentliche Faktoren die zur Luftverschmutzung und Schadstoffbelastung in Stadtgebieten beitragen - mit den bekannten Effekten auf die menschliche Gesundheit. Auf lokaler Skala, bei gleichzeitig hoher Verkehrsdichte, wird die Durchmischung (und damit Reduzierung) von Luftschadstoffen durch das Vorhandensein von Gebäuden signifikant negativ beeinflusst. Als direkte Konsequenz werden die nationalen Grenzwerte für Luftschadstoffe oft überschritten. Unter bestimmten Bedingungen ist verkehrsinduzierte Turbulenz der dominierende Faktor, der die Ausbreitung der freigesetzten Schadstoffe bestimmt. Ausbreitungsmodelle können solche Situationen, in denen verkehrsinduzierte Turbulenz und Schadstofffreisetzung eine große Rolle spielen, nur unzureichend wiedergeben. Das vorgeschlagene Projekt hat zum Ziel, die wesentlichen Prozesse für die Ausbreitung von Luftschadstoffen in Straßenschluchten besser zu verstehen. Das Hauptziel des Projekts ist daher die Bestimmung des Effekts von verkehrsinduzierter Turbulenz und Auspuffgasen auf die Windströmung und Ausbreitung von Luftschadstoffen in Straßenschluchten mit Hilfe von turbulenzauflösenden Large-eddy Simulationen. Neuartige Methoden zur Implementierung von sich bewegenden Fahrzeugen mit komplexer Geometrie sollen getestet und mit Windkanaldaten in einem ersten Schritt validiert werden. In einem zweiten Schritt soll ein umfassender Simulationsdatensatz für den klassischen Fall der urbanen Straßenschlucht generiert werden um den Effekt von verkehrsinduzierter Turbulenz auf die Windströmung sowie die Ausbreitung von Auspuffgasen, die von den einzelnen Fahrzeugen emittiert werden, zu untersuchen. Die Simulationen werden sich auf idealisierte Szenarien beschränken, jedoch die Effekte von Vegetation in der Straßenschlucht, wie z.B. Straßenbäume und Hecken, sowie durch Sonneneinstrahlung unterschiedliche beheizte Flächen (Straßen, Häuserwände) und die Interaktion dieser Effekte berücksichtigen. Die Ergebnisse sollen zeigen, unter welchen Bedingungen verkehrsinduzierte Turbulenz einen maßgeblichen Anteil bei der Schadstoffausbreitung beiträgt. Dieser Satz von Simulationen wird durch Parameterstudien vervollständigt, in denen Parameter wie die mittlere Windrichtung und Anströmgeschwindigkeit der Straßenschlucht systematisch variiert werden. Ferner sollen verschiedene Verkehrsdichten und Fahrzeugflotten simuliert werden. Abschließend ist geplant, einerseits existierende Parametrisierungen für verkehrsinduzierte Effekte mit Hilfe der neu generierten Simulationsdaten zu überprüfen und andererseits ein neues Konzept für eine Parametrisierung, die auch für Large-eddy Simulationsmodelle geeignet ist, in einer ersten Fallstudie zu testen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, USA
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Petra Klein; Professor Prashant Kumar, Ph.D.