عنوان پایان‌نامه
استفاده از روش شبیه سازی گردابه های بزرگ جهت مدل سازی عددی و ارائه رابطه تخمین صعود پیرایه ستون دود
- رشته تحصیلی
- مهندسی محیط زیست -آلودگی هوا
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه دانشکده محیط زیست شماره ثبت: ENV 1581;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79637;کتابخانه دانشکده محیط زیست شماره ثبت: ENV 1581;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79637
- تاریخ دفاع
- ۰۴ اردیبهشت ۱۳۹۶
- دانشجو
- علی احمدی ارکمی
- استاد راهنما
- خسرو اشرفی
- چکیده
- همان‌گونه که اغلب سامانه ها در طبیعت دارای دینامیک غیرخطی بوده و خطی سازی آنها تنها یک فرض ساده کننده می باشد، تلاطم در جریان های جوی نیز اغلب حاکم بوده و آرام بودن و یا آرام فرض کردن آنها، به عنوان یک ساده سازی مسئله تلقی می شود. هدف اصلی این پژوهش، ارائه رابطه جدیدی جهت تخمین خیزش پیرایه ستون دود در شرایط جوی مختلف است که بتواند نواقص روابط موجود را در شرایط جریان جوی متلاطم رفع نماید. به منظور شبیه‌سازی رفتار پیرایه ستون دود همراه با نیروی شناوری در شرایط جوی متلاطم همراه با باد افقی، از ترکیب روش‌های شبیه‌سازی گردابه های بزرگ و روش متوسط گیری رینولدز استفاده شده است و همچنین یک روش ترکیبی دینامیک برای پارامترسازی نقش گردابه های ریز مورد استفاده قرار گرفته است. شبیه‌سازی عددی رفتار پیرایه دود با استفاده از روش مذکور و روش‌های متداول انجام گرفت. نتایج شبیه‌سازی با داده‌های تجربی موجود در مراجع علمی مقایسه و صحت نتایج بررسی شد. مقایسه نتایج نشان می‌دهد که روش ترکیبی پیشنهادی نسبت به روش‌های متوسط‌گیری رینولدز و روش ترکیبی موجود در نرم افزار فلوئنت، توزیع دما در پایین دست را با دقت بهتری پیش‌بینی می‌کند. همچنین خطای تخمین صعود پیرایه دود محاسبه شده با روش‌های شبیه‌سازی متوسط گیری رینولدز، روش ترکیبی موجود در نرم افزار فلوئنت و روش ترکیبی پیشنهادی در حالت خنثی جوی به ترتیب برابر با 0437/0، 054/0 و 0323/0 است. با استفاده از نتایج روش شبیه‌سازی مذکور، رابطه‌ای برای تخمین خیزش پیرایه ستون دود در شرایط پایداری مختلف جوی ارائه شد. تاثیر مستقیم شدت تلاطم جوی در ارتفاع دودکش(IAir) و تغییرات سرعت باد افقی در راستای قائم نیز در روابط صعود پیرایه دود وارد شده است. به‌علاوه، پارامتر نیروی شناوری پیرایه دود به جای اینکه در دهانه خروجی دودکش محاسبه شود، در بالادستی جریان خروجی از دهانه خروجی دودکش محاسبه شده است تا تاثیر نیروی شناوری جریان درون دودکش را بر روی صعود پیرایه دود به‌طور کامل در نظر بگیرد. آنالیز حساسیت داده‌های حاصل از نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که یک رابطه خطی بین میزان خیزش پیرایه ستون دود و (IAir)-1.55، (IAir)-1.22 و (IAir)-1.13 به ترتیب در شرایط جوی پایدار، خنثی و ناپایدار وجود دارد. نمودارهای چندک-چندک نشان می‌دهد که روابط ارائه شده، میزان خیزش پیرایه ستون دود را در شرایط جوی پایدار، خنثی و ناپایدار با ضریب انحراف 18/1، 0025/1 و 17/1 پیش‌بینی می‌کند. این در حالی است که روابط سنتی موجود، میزان خیزش ستون دود در شرایط پایدار، خنثی و ناپایدار را حداقل با انحراف 35/1، 2/2 و 85/1 پیش‌بینی می‌کنند. با مقایسه نتایج مدل پراکنش گوس با داده‌های میدانی نیروگاه ایندیاناپلیس، نشان داده شد که با به‌کارگیری روابط صعود جدید، میانگین مربعات خطای تعدیل شده پیش‌بینی غلظت آلاینده‌ها در سطح زمین در شرایط جوی پایدار، خنثی و ناپایدار به ترتیب برابر با 7/3، 4/0 و 4/4 است. در حالی که با به‌کارگیری رابطه بریگز در مدل گوس مقدار خطای مذکور برابر با 3/14، 5/4 و 3 برآورد می‌شود. این در حالی است که با به‌کارگیری روابط جدید تخمین صعود پیرایه دود به‌جای رابطه بریگز در مدل گوس، خطای کلی تخمین داده‌های میدانی ایندیاناپلیس به اندازه 20 درصد کاهش می‌یابد.
- Abstract
- Most physical systems in the nature have nonlinear dynamics and the system linearization of these physical systems is only a simplified assumption. The atmospheric motions, with the same philosophy, have a turbulent structure and considering the laminar motion in the atmosphere is only a problem simplification assumption. In the present survey, a new plume rise model is presented, which is capable of overcoming the drawbacks of the conventional models in the turbulent atmosphere. A hybrid unsteady Reynolds averaged Navier Stokes (RANS) and large eddy simulation (LES) numerical approach with a new mixed scale sub-grid parameterization technique is applied in the commercial ANSYS Fluent software for simulating the buoyant jet behavior in a turbulent crossflow. The accuracy of the simulation method is examined with the wind tunnel data available in the literature. Comparing the simulation results of the RANS method, the hybrid RANS-LES method with static sub-grid scale parameterization and the new RANS-LES method with dynamic mixed scale parameterization shows that the mean temperature profile at stack downstream is more accurately predicted by the new hybrid method. In addition, the root mean square errors of plume rise estimation of the RANS method, the default RANSLES method and the new hybrid RANS-LES method are 0.0437, 0.054 and 0.0323, respectively. New plume rise formulas are derived in different stability classes of the atmosphere, by using the aforementioned numerical simulation results. The direct effects of atmospheric turbulence intensity at stack height (IAir) and the vertical derivative of wind velocity are introduced in the plume rise formula. Furthermore, the buoyancy parameter of the flue gas is calculated at some distances upstream of the stack exit to include the whole effects of source buoyancy on the plume rise. The sensitivity analysis of the data obtained from numerical simulation results shows that there is a linear dependency between the plume rise and (IAir)-1.55, (IAir)-1.22 and (IAir)-1.13 for stable, neutral and unstable conditions, respectively. The Q-Q plots show that the new models can predict the simulated plume rise in the turbulent crossflow with a deviation factor of 1.18, 1.0025 and 1.17 for stable, neutral and unstable conditions, respectively whereas the conventional models, which do not consider the turbulent motions, overestimate the final plume rise at least by a factor of 1.35, 2.2 and 1.85. Moreover, comparing the Gausian dispersion model results with the Indianapolis experiment shows that by applying the new plume rise formulas, the field data can be predicted by a normalized mean square error (NMSE) of 3.7, 0.4 and 4.4 in stable, neutral and unstable conditions, respectively. While, by applying the Briggs formula, the NMSE of the ground level concentration are estimated as 14.3, 4.5 and 3 in stable, neutral and unstable conditions, respectively. Without considering the stability class limitation, the NMSE of the field data reduced about 20 percent by applying the new plume rise formulas instead of the Briggs formula in the Gaussian dispersian model. Key words: Plume rise, Numerical simulation, Turbulence, Hybrid RANS-LES method.
