Pattantyús-Ábrahám Géza Gépészeti Tudományok Doktori Iskola 

BME GPK, Áramlástan Tanszék

Témavezető: Dr. Kristóf Gergely

Mikro- és mezoskálájú légköri áramlások szimulációja általános célú CFD megoldókkal 

A kutatási téma néhány soros bemutatása

Az általános célú numerikus áramlástani megoldók (CFD) széles körben elterjedtek és validáltak mikro skálájú szennyezőanyag terjedési vizsgálatokban városi környezetben, ahol nem kell számítani jelentős függőleges irányú áramlásra. A vertikális áramlás azonban jelentős szerepet játszik bizonyos városi vagy lokális áramlási képek kialakulásában, például városi hősziget okozta áramlás, völgyi szél vagy tengerparti áramlások esetén. Ezen áramlásoknak nagy szerepe lehet a városok átszellőzésében, ezért tanulmányozásuk fontos a várostervezési vizsgálatokban. Az atmoszférikus rétegződésnek, a kompresszibilitásnak vagy a Corioli erő hatásának modellezése elengedhetetlen ilyen esetekben. A BME Áramlástan Tanszékén folyó kutatásaink során egy általános módszert dolgoztunk ki, mellyel a fent említett CFD megoldók alkalmassá tehetők meteorológiai skálájú áramlások számítására, modellezésére.

A kutatóhely rövid bemutatása

A BME Áramlástan Tanszék számos olyan területen végez kiemelkedő munkát, ahol a numerikus áramlástani módszerek ismerete és alkalmazása elengedhetetlen. Jelentős tapasztalattal rendelkezik ezen módszerek épület-aerodinamikai, klímakomfort, uszodatechnikai, környezettechnikai, energiaipari vagy járműipari alkalmazása területén (lásd például 1. ábra). A Tanszéken az utóbbi években új, dinamikusan fejlődő tématerület indult el, az atmoszférikus áramlások szimulációja és modellezése.

 

1. 1. ábra. Szennyezőanyag-terjedési vizsgálatok a BME Áramlástan Tanszékén

 

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

Jól kivehető trend figyelhető meg a meteorológiai előrejelző modellek fejlődésében. Nagyobb felbontású modelleket alkalmaznak egyre több fizikai hatás figyelembe vételével, hogy jobb minőségű, pontosabb előrejelzéseket adhassanak. Ez a folyamat visszatükröződik az említett modellek „urbanizációjában” is, ahogy a fejlesztésben elmozdulnak az áramlások finomstruktúrájának meghatározása, szimulációja felé. A városi hősziget modellezése jó példa a fenti folyamatok szemléltetésére. A jelenség, amely nagyban befolyásolja a nagyvárosok termikus komfortját, számos kutató által vizsgált és aktuális tématerület. Kiváló eredmény érhető el finomhangolt meteorológiai modellek alkalmazásával a hőmérsékleti mérésekkel összehasonlítva, azonban ezek a modellek továbbra sem alkalmasak a szennyezőanyag transzportjának pontos leírására városi környezetben, hiszen a lokális kibocsájtási szintek erősen függenek az áramlás mikrostruktúrájától. Ez pedig megkívánja a városi környezetben előforduló áramlási struktúrák pontos modellezését, például utcakanyon hatást vagy a nagyobb örvénystruktúrák keletkezését az épületek nyomában.

A problémakör egy alternatív megközelítése, amikor modern numerikus áramlástani megoldókat, CFD programokat adaptálunk mezoskálájú folyamatok leírására. Általános célú CFD megoldókat már korábban is szélesebb körben alkalmaztak városi területek átszellőzésének vizsgálatára, szennyezőanyag terjedési vizsgálatokra, szélfarmok elhelyezhetőségének tanulmányozására vagy épületek szélterhelésének meghatározására. Ezek a megoldók képesek komplex domborzatok és épületstruktúrák kezelésére, széles palettában elérhető turbulencia- és fizikai modellekkel rendelkeznek, továbbá hatékony numerikus sémákat alkalmaznak és nagyfokú parallelizálhatósággal jellemezhetők.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

A CFD megoldók fenti jellemzőinek további bővítésére [2] egy modell-transzformációt dolgoztunk ki általános célú áramlástani megoldókra azzal a céllal, hogy alkalmassá tegyük mezo skálájú meteorológiai folyamatok figyelembe vételére. Az atmoszférikus rétegződés, a Corioli erő és az összenyomhatóság a leíró egyenletekre alkalmazott forrástagokkal lett figyelembe véve. A modell egyetlen strukturálatlan hálót használ a közel- és távoltér áramlástani leírására, ezzel elkerülve a meteorológiai modelleknél tapasztalható modell-egybeágyazás okozta interpolációs hibákat és modellbizonytalanságokat. Célunk továbbá egy olyan általános módszer kidolgozása, ami nem csak egy adott áramlástani megoldónál alkalmazható, hanem olyan CFD kódokra is, melyek alkalmasak a felhasználó által definiált forrástagok kezelésére.

 

Milyen előnyök várhatóak a CFD szoftverektől?

 

• Nem strukturált háló kezelése (komplex geometriával jellemzett felszínek és tereptárgyak, pl. épületek modellezése lehetséges).

• Fizikai modellek nagy választéka (többfázisú-, reaktív áramlások modellezése, a turbulencia modellek szinte teljes választéka, sugárzásos transzport, porszemcsék  és cseppek pályájának számítása).

• A szoftverek egyszerű kibővíthetősége (pl. FLUENT szimulációs rendszerben C nyelvű felhasználói függvényekkel).

• Fejlett eszközök az áramképek kiértékelésére.

 

Megoldandó probléma: A CFD szoftverek kiegészítés nélkül nem alkalmasak több fontos hatás leírására.

 

• A korábbi modellek neutrális rétegződést feltételeztek

• Néhány száz méter volt a jellemző függőleges tartományméret

• Felszálló légáramlás okozta expanzió és hűlés nem volt figyelembe véve

• Megoldandó az atmoszférikus rétegződés hatása a turbulenciára

• Sűrűségváltozás az atmoszférában

Módszerek

A cél a numerikus áramlástani megoldók egyenleteinek olyan átalakítása, hogy azok alkalmasak legyenek légköri méretű szimulációk végrehajtására. A CFD szoftverek kiegészítése a felhasználó által definiált forrástagokon keresztül (UDF) lehetséges: a Kristóf, Rácz és Balogh (2009) által kifejlesztett transzformációs modellt kell alkalmazni a leíró egyenletekre (2. ábra).

 

2. ábra. Az áramlástani megoldó leíró egyenletei és forrástagjai

 

A transzformációs modell főbb jellemzői:

Az energiaegyenletet az ISA hőmérsékletprofiltól való eltérésre oldjuk meg. A változó sűrűség figyelembe vétele az atmoszférában a z koordináta transzformációjával történik (3. ábra). Így véges magasságú, összenyomhatatlan tartományba képezzük le az atmoszférát. A módszer előnye, hogy a nyomásra és hőmérsékletre konstans kezdeti- és peremértékek adhatók meg, azonban tetszőleges hőmérsékleti profillal is inicializálható a tartomány.

           

3. ábra. Légrész emelkedésének korlátozása az ISA és az adiabatikus profil metszéspontjánál (balra). Vertikális koordináta transzformációja (jobbra), a légkör összenyomása konstans sűrűségű, adott vastagságú rétegbe történik.

 

 

Eddigi eredmények

A transzformációs modellt implementáltam egy általános célú CFD megoldóba, hogy alkalmassá tegyem azt rétegzett légköri áramlások szimulációjára. Első lépésben az energiaegyenlet forrástagjának viselkedését vizsgáltam hősziget-cirkuláció kisminta-kísérleteinek nagy-örvény szimulációjával. Ez a forrástag kulcsfontosságú a transzformációs rendszerben, hiszen ez felelős a termikus rétegződés beállításáért. Hőmérsékleti és PIV sebességprofilok segítségével bemutattam, hogy ezzel az új modellezési megközelítéssel a hősziget-cirkuláció a mérnöki gyakorlat számára elfogadható pontossággal írható le. További vizsgálatokat végeztem egy idealizált hidegfront (4. ábra) terjedésének szimulációjával, ahol megmutattam az összenyomhatóság figyelembevételének jelentőségét.

4. ábra

Kelvin-Helmholtz instabilitás miatt kialakult felhőstruktúrák egy hidegfrontbetörés hatására. CFD modell (balra), megfigyelés (jobbra)

 

A módszerrel lehetővé tettem légköri gravitációs hullámok tanulmányozását is. A jelenség vizsgálatának, illetve megértésének nagy mérnöki jelentősége lehet a repülésbiztonság, a lejtőviharok okozta károk csökkentése és előrejelzése, vagy szélfarmtelepítések tervezése területén. A légköri gravitációs hullámok tanulmányozása továbbá nagyon jó lehetőséget kínál olyan atmoszférikus áramlások vizsgálatára, ahol széles tartományban találkozhatunk nemhidrosztatikus és nemlineáris légköri jelenségekkel.

Az eredeti transzformációs összefüggés szárazadiabatikus folyamatok leírására alkalmas. A gyakorlati alkalmazások nagy része azonban megkívánja a nedvességtransport figyelembevételét is. Az általános célú CFD megoldókban található nedvességtranszport modellek vagy nem kompatibilisek az általunk alkalmazott Boussinesq sűrűségmodellel, vagy sűrűség alapú megoldó használatát kívánják. Ezért egy új módszert dolgoztam ki ezen folyamatok leírására, ahol egyesítettem a transzformációs módszer előnyeit egy hatékony kontinuum mikrofizikai modell alkalmazásával a nedvességtranszport és a fázisátalakulás figyelembe vételére. A két módszer kombinációjával lehetővé tettem nedvesadibatikus folyamatok számítását tetszőleges légköri rétegződés mellett, általános célú CFD megoldók használatával. Teljes atmoszférikus skálájú nedves hűtőtorony-számításokkal (5. ábra), sebesség, hőmérséklet és a kondenzálódott folyadékmennyiség helyszíni, radaros és repülőgépes méréseivel megmutattam a modell hatékonyságát.

 

5. ábra Atomerőmű nedves hűtőtorony-fáklyájának közel- és távoltér-szimulációja a fáklya tranziens viselkedésének CFD vizsgálata

 

Várható impakt, további kutatás

A transzformációs modell segítségével összekapcsoltunk két tudományterületet, ezzel megalapozva a mérnöki eszközök alkalmazását a meteorológia területén. Ezzel a módszerrel számos új alkalmazási terület nyílik meg a mérnöki gyakorlatban alkalmazott numerikus áramlástani szoftverek előtt. Lokális szelek modellezése területén: városi hősziget, parti szél, völgyi szél. Energetika – környezettechnika területén: hűtőtorony, kémény, energiatorony, szélerőművek. Légköri jelenségek elemzésénél: zivatarfelhők képződése, légmozgás magas hegységek fölött. Katasztrófaszimulációkban: erdőtűz, várostűz, vulkánkitörés.

A kutatás rendkívül időszerű, és mind hazai, mind nemzetközi szinten is nagy érdeklődésre tarthat számot.

 

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája

(IF - impact factor)

 

Folyóiratcikkek:

 

1. Kristóf, G., Rácz, N., és Balogh, M. (2008). Atmoszférikus áramlások szimulációja, Simulation of atmospheric flows. GÉP, LIX(5–6):24–25.

2. Kristóf, G., Rácz, N., és Balogh, M. (2009). Adaptation of pressure based CFD solvers for mesoscale atmospheric problems. Boundary-Layer Meteorol., 131(1):85–103. (IF: 2.127)

3. Rácz, N., Kristóf, G., és Weidinger, T. (2013). Evaluation and validation of a CFD solver adapted to atmospheric flows: Simulation of topography-induced waves. Időjárás, 117(3):239–275. (IF: 0.405)

4. Rácz, N. és Kristóf, G. (2015). Implementation and validation of a bulk microphysical model of moisture transport in a pressure based CFD solver. Időjárás (közlésre elfogadva). (IF: 0.500)

 

Hazai és nemzetközi konferenciacikkek:

 

5. Kristóf, G., Rácz, N., Bányai, T., Gál, T., Unger, J., és Weidinger, T. (2006). A városi hősziget által generált konvekció modellezése általános célú áramlástani szoftverrel – összehasonlítás kisminta kísérletekkel. Megjelent: A 32. Meteorológiai Tudományos Napok előadásai. Országos Meteorológiai Szolgálat, Budapest, 95–104. oldal

6. Kristóf, G., Weidinger, T., Bányai, T., Rácz, N., Gál, T., és Unger, J. (2006). Városi hősziget által generált konvekció modellezése általános célú áramlástani szoftverrel - példaként egy szegedi alkalmazással. In 3. Magyar Földrajzi Konferencia Tudományos Közleményei, CD-kiadvány, MTA FKI, 9. oldal

7. Kristóf, G., Rácz, N., és Balogh, M. (2007). Application of ANSYS-FLUENT for Meso-Scale Atmospheric Flow Simulations. In ANSYS Conference and 25. CADFEM Users’ Meeting. Drezda, Németország, 8. oldal

8. Kristóf, G., Rácz, N., és Balogh, M. (2007). CFD analyses of flow in stratified atmosphere. In S. Aubrun (Szerk.) Proceedings of International Workshop on Physical Modelling of Flow and Dispersion Phenomena. Orléans, Franciaország, 93–97. oldal

 

Linkgyűjtemény

 

Városi hősziget jelenség

Légköri gravitációs hullámok

Nedves hűtőtornyok