Large-eddy Simulationsstudie zur Auswirkung von verkehrsinduzierter Turbulenz und Auspuffgasen auf die Windströmung und die Ausbreitung von Luftschadstoffen in Straßenschluchten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Transport und die Verdünnung von Schadstoffen auf Fußgängerniveau erfolgen durch die Interaktion zwischen turbulenter Windströmung, Gebäuden und anderen Hindernissen sowie dem Fahrzeugverkehr. Ein gutes Verständnis dieser Prozesse ist für das lokale Luftqualitätsmanagement von entscheidender Bedeutung, da es die Fähigkeit zur Vorhersage der räumlichen Verteilung von Schadstoffen verbessert. Über die Windströmung und den Transport von Schadstoffen in städtischen Straßenschluchten sind umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt worden. Die Auswirkungen von fahrzeuginduzierten Effekten (VIE) auf die Strömung und die Schadstoffausbreitung wurden jedoch nur in wenigen Studien berücksichtigt. Die Forschung in diesem Projekt knüpft genau an diesem Punkt an, indem sie die Auswirkungen der fahrzeuginduzierten Turbulenz (VIT) auf die Windströmung und die Schadstoffausbreitung in idealisierten Straßenschluchten darstellt, versteht und quantifiziert. Zu diesem Zweck haben wir hoch- und turbulenzauflösende numerische Modellierung (sogenannte LES-Modelle) eingesetzt. Dies wurde durch die Erweiterung und Anwendung des PALM-Modellsystems erreicht. Wir konnten explizit fahrende Fahrzeuge adäquat darstellen, indem wir eine vereinfachte Methode zur Modellierung der fahrzeuginduzierten Effekte einführten. Das Konzept der sogenannten Induced-Velocity-Methode (IVM) basiert auf der Annahme, dass der Reibungswiderstand viel kleiner ist als der Formwiderstand und daher vernachlässigt werden kann. Der Formwiderstand wird erzeugt, indem den Gittervolumen des kartesischen Gitters des Modells, an denen sich ein Fahrzeug befindet, eine feste Geschwindigkeit entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit zugeschrieben wird. Diese Geschwindigkeiten werden dann mit der Fahrgeschwindigkeit und in Fahrtrichtung innerhalb des LES-Gitters bewegt. In unserer Validierungsstudie konnten wir nachweisen, dass die IVM gut geeignet ist, um typische Nachlaufströmungen darzustellen. Auch bei Einbeziehung von Verkehr und dessen Auswirkungen auf die Schadstoffausbreitung wird das allgemeine Strömungsmuster sowie die Schadstoffausbreitung durch das IVM gut wiedergegeben. Unsere Untersuchung der Auswirkungen von VIE auf die Windströmung und die Ausbreitung von Schadstoffen in Straßenschluchten zeigte, dass diese zu einer Umverteilung der Konzentrationen in der Straßenschlucht führen, aber keinen Austausch mit der Strömung oberhalb der Schlucht begünstigen. Dies bedeutet, dass eine Verringerung der zeitlich gemittelten Konzentrationen lokal stattfindet, aber an anderer Stelle zu einem entsprechenden Anstieg führt. In Übereinstimmung mit früheren Studien war eine Verringerung der Konzentration auf Fußgängerniveau vorhanden, jedoch nur an der leeseitigen Wand. Es hat sich auch gezeigt, dass der Anstieg mit einem höheren Einfluss der fahrzeuginduzierten Bewegung (d. h. mit einem größeren Fahrzeug-/Windgeschwindigkeitsverhältnis) zunimmt. Der letzte Teil unserer Studie konzentrierte sich auf den gemeinsamen Einfluss von fahrzeuginduzierten Effekten und unterschiedlich beheizten Oberflächen, wie sie im Tagesgang auftreten. Hierbei konnten wir zeigen, dass die durch den Verkehr induzierte Bewegung der thermischen Auftriebsströmung entgegenwirkt und damit den Austausch mit der freien Strömung oberhalb der Straßenschlucht hemmt, was zu einer Erhöhung der mittleren Konzentrationen um bis zu +22 % führt. Nur im Falle einer Erwärmung der Luvwand führt der Verkehr zu einer Verringerung der mittleren Konzentrationen um −15 %. Die kombinierte Wirkung von fahrzeuginduzierten Effekten und Thermodynamik führt jedoch in allen untersuchten Fällen zu einer Verringerung der mittleren Konzentrationen in der Straßenschlucht um bis zu 28 %.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Introduction and validation of a simplistic method to represent vehicle-induced turbulence in high-resolution large-eddy simulations. Copernicus GmbH.
Motisi, Giovanna & Maronga, Björn
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Introduction and validation of a simplistic method to represent vehicle-induced turbulence in high-resolution large-eddy simulations, PALM Model Conference 2023, Offenbach am Main, Germany, September
Motisi, G. & Maronga, B.
