نقد و بررسی : شبیه سازی بررسی آلودگی و تابش خورشید با مدل های Species و Solar load

مقدمه

امروزه تمرکز توجه و نگرانـی عمده‌ی جامعه‌ی بشـري معطـوف بـه حفاظـت از محیط‌زیست اسـت و رعایـت معیارهاي زیست‌محیطی باهدف تـداوم زنـدگی بشـر بـر روي کره‌ی زمین از دغدغه‌های مهم و جـدي اسـت. در دنیاي کنونی آلاینده‌های موجود در محیط‌زیست از مهم‌ترین مشکلات بشر به شمار می‌رود کـه در بـین آن‌ها آلودگی هوا از اهمیت ویژه‌ای برخوردار اسـت. بحـث درباره‌ی آلودگی هوا در حقیقـت بحـث در مـورد مـواد و ترکیباتی است که از منـابع مختلـف طبیعـی و مخصوصاً ساخته دست بشر و فعالیت‌های انسانی وارد هوا می‌گردد و باعث تغییر خواص فیزیکی و شیمیایی اتمسفر می‌گردد.

آلودگی هوا یعنی وجود یک یا چند آلوده‌کننده مانند گردوغبار، گازها، بو، دود و بخارت در هواي آزاد بـا کمیت‌ها، خصوصیات و زمان‌ماندی که براي زندگی انسان، گیـاه یـا حیوانات خطرناك، و براي اموال مضر باشد و یا به‌طور غیرقابل قبولی مخل استفاده راحت از زنـدگی و امـوال گـردد از عوامل آلودگی هوا می‌توان بـه پیشـرفت صـنایع و فناوري، توسعه شهري، افزایش و تراکم جمعیـت، افـزایش وسایط نقلیه موتوري، ازدیاد مصرف فراورده‌های نفتـی و در برخی موارد شرایط خاص اقلیمی و توپـوگرافی منطقـه اشاره کرد. هنگامی‌که تعادل طبیعی یا اکوسیستم شیمیایی اتمسفر در اثر فعالیت‌های گوناگون بشر به هم بخورد تغییرات قابل‌توجه به همراه ظاهر شدن اثرات زیان‌بار در محیط پدیـد می‌آید که نتیجه‌ی آن تهدید سلامت جسم و روح انسان است. از طرفی ظرفیت جـذب و تصـفیه و تبـدیل محیط‌زیست کاملاً محدود بوده و طبیعت قدرت تحمل فشارهاي سنگین و غیرقابل‌پیش‌بینی‌ای را که از تخلیه مواد زائد سمی از طریق منابع گوناگون بر آن می‌شود را نداشـته و به همین علت بایـد پدیده‌ی آلـودگی هـوا به‌دقت موردبررسی قرار گیرد.

براي قسمت عظیمی از جمعیـت رو به افزایش جهان، محیط‌های شهري مهم‌ترین بستر زندگی اسـت و در بیشـتر کشــورهاي درحال‌توسعه وضــعیت آلودگی هوا در این بستر مهم روزبه‌روز بـدتر می‌شود اگرچه بهبود فنّاوری نقش مهمـی را در کـاهش انتشارات ناشی از ترافیک بازي کرده است، کاهش آلودگی هوا به علت افزایش تقاضا براي حمل‌ونقل، بـ ه عنـوان یـک چالش باقی خواهد مانـد. آلاینده‌های متعـددي در شهرها تولید می‌شود که مجموع آن‌ها مه دود فتوشیمیایی را تشکیل داده مثل منو کسید کربن، اکسیدهاي نیتـروژن، اکسیدهاي گوگرد، ازن و غبار این آلاینده‌ها عمده‌ترین آلاینده‌های هـوا هسـتند . گازهـاي آلاینـده مثـل منو کسید کربن فقط به‌صرف حضور ایجـاد مشـکل نمی‌کنند بلکه غلظت‌های بسیار زیاد آن‌ها کـه به علت فعالیت‌های انسان به وجود می‌آید، مشکل جدي بـراي سـلامت انسـان هستند. بر اساس مطالعات انجام‌شده سـهم خودروهـا در شهرهاي بزرگ در تولید و انتشار آلاینده‌های هـوا در حدود 70 درصـد بـوده و ایـن سـهم نیـز عمدتاً ناشـی از سوخت‌های فسیلی است.

آلاینده‌های منو کسید کربن و ناکس در خودروها بیشترین میزان را دارا هسـتند. از آنجائی که آلاینده‌ها تأثیر مخربـی روي سـلامت انسان، حیوان، گیاه، ابنیه و غیره داشته و باعـث ابـتلا بـه انـواع سرطان‌ها، بیماری‌های چشـمی، اخـتلالات تنفسـی، جهش ژنی، تولید باران‌های اسیدي، تشـکیل ازن در سـطح تروپوسفر و غیره دارنـد بنـابراین یکـی از اقـدامات مهـم و مؤثر به‌منظور کنتـرل کیفیـت هـوا، تعیـین میـزان واقعـی آلاینده‌ها و توصـیف کیفیـت هـوا در مقایسـه بـا شـرایط استاندارد است و ایـن میـزان در شـهرها معمولاً از طریق ایستگاه‌های سنجش آلودگی هوا اندازه‌گیری می‌شود و هرچه تعداد ایستگاه‌ها بیشتر باشد اطلاعات جامع‌تری در اختیار محققان و تصمیم گیران محـیط ز یسـت قرار می‌گیرد ولی معمولاً باید تعداد ایستگاه‌ها با هزینه‌های اقتصادي بهینه شود. شـواهد اخیـر نشـان می‌دهد که انتشارات ناشی از ترافیک جاده‌ای منبـع اصـلی آلـودگی هــوا در منــاطق شـهري بــوده و متعاقباً اثـرات نامطلوب آن بر روی سـلامت انسـان اسـت. امـروزه مدل‌سازی در بسیاري از علوم به‌ویژه علـوم محیط‌زیست مورداستفاده قرار می‌گیرد که مدل‌سازی آلودگی هوا نیـز در این مجموعه قرار می‌گیرد. نکته‌ی مهم این است کـه مدل‌سازی کیفیت هوا درزمینهٔ مای پراکنش مکانی، زمانی و پیش‌بینی ارائه می‌شود. مدل‌سازی تبـدیل یـک مفهـوم آماري به زبان ریاضی اسـت، کـه بـراي درك واقعـی یـک فرایند نیـاز اسـت . درواقع بـا آن می‌توان روابـط علـی و معلولی بین متغیرها را به نحو روشنی در فرایند بررسـی و مشاهده کرد.

توسعه مدل ریاضی نیازمند مهـارت، هـوش، تجربه و خلاقیت و نوآوري زیادي دارد. مدل‌های ریاضی می‌توانند در تحقیق و توسعه، طراحی، حتی اقتصاد مهندسی مورداستفاده قرار گیرند. قوانین فیزیکی و شیمیایی نظیـر قانون بقاي جرم، انرژي و حرکت اساس و پایه مدل ریاضی هستند. معمولاً مدل‌سازی ریاضی نیازمنـد فرضـیاتی اسـت که باید تا حد امکان منطقی باشند. مدل‌های بسیار پیچیده که حداقل فرضیات را براي توسعه دارند زمان زیـادي لازم داشته و حل آن‌ها حتـی روي بهتـرین کامپیوترهـا ممکـن اســت عملــی نباشــد. هنگــام ارزیـابی نتــایج مــدل بایــد محدودیت‌های اعمال‌شده در فرضیات در نظر گرفته شوند. مدل‌سازی انتشار منابع خطی یک ابـزار مهـم در کنتـرل و مدیریت خروجی‌های وابسته به وسایل نقلیه در محیط مای شــهري اســت. در بســیاري از کشــورهاي جهــان و همین‌طور ایران مطالعاتی درباره‌ی مدل‌سازی آلـودگی هـوا انجام‌شده اســت، طوری که در تهــران روي ترکیبــات سرطان‌زای پلی آروماتیک مدل‌سازی انجام‌شده و در مشهد نیز پیش‌بینی ازن در با استفاده از مدل سیستم عصبی- فازي انجام‌شده است. در تحقیقـی در یونـان و فنلاند نیز مدل رگرسیون چندگانه براي پیش‌بینی غلظت NO_x و PM₁₀ بکار رفته و با مدل شبکه عصبی مصـنوعی مقایسه شده است. مدل‌سازی پخش آلاینده‌ها کمک می‌کند تا با بررسی اثر تغییر پارامترهاي مختلف بر تولید و نشر آلاینده‌ها بتوان تمهیـداتی را بـراي کنتـرل بهینـه آلـودگی در نظـر گرفـت. شبیه‌سازی محـیط در قالـب مدل‌های محیط زیستی داراي فوایـد زیـادي هست، ازجمله دقت و سرعت مدل‌سازی به‌ویژه بـا اسـتفاده از رایانـه مای امـروزي کـه بسـیار بالاسـت. بـا اسـتفاده از مـدل، پژوهشگران، محققان، مسئولین و سیاست‌گذاران می‌توانند بدون صرف هزینه و وقت در دنیاي واقعی، اثرات برنامه‌ها و ایده مای جدید را آزمایش کنند. درواقع بـا مدل‌سازی بجاي مدیریت بحران، می‌توان خطر را پیش‌بینی یا برنامه‌ریزی کرد.

شبیه‌سازی با رویکرد دینامیک سیالات محاسباتی

با پیشرفت‌های انجام‌شده در ابزار محاسباتی امکان شبیه‌سازی‌هایی با محاسبات سنگین به وجود آمده است. شبیه‌سازی‌هایی مانند احتراق و توربولانس و… امروزه بخش جدانشدنی از مطالعات دینامیک سیالاتی می‌باشند. جریان‌های چند فاز هرکدام با دسته‌بندی‌های متفاوت به‌راحتی قابل مدل‌سازی و بررسی می‌باشند و تمام این‌ها مدیون علم دینامیک سیالات محاسباتی می‌باشد. در میان متدهای مختلف در نرم‌افزارهای محاسباتی رویکرد معادلات انتقال رویکردی جامع برای شبیه‌سازی جریان‌های دو فاز همگن هست. به کمک این رویکرد علاوه بر مطالعات مولکولی و احتراقی می‌توان مطالعاتی روی بخش آلاینده‌ها نیز داشت. همین موضوع باعث شده است که در سالیان اخیر با کوپل این روش و روش گردابه های بزرگ نتایج بسیار جالبی در رابطه با مهندسی محیط‌زیست و مهندسی باد و معماری به دست آورد. شبیه‌سازی به کمک دیدگاه انتقال هر جزء (Species Transport) به این صورت است که برای هر جزء حاکم بر مخلوط دوفاق یک معادله انتقال (Transport) حل می‌کند. این معادله شامل ترم های دیفیوژن و جابه‌جایی هست. همچنین به کمک‌ترم منبع می‌توان تنظیمات موردنیاز کاربر را به معادلات اضافه نمود و ارتباط معادلات را برقرار کرد. در مسئله آلودگی برای هر جزء هوا می‌توان یک معادله انتقال نوشت و نرخ تغییرات آن و شرایط حاکم بر آن را به دست آورد. همانند سایر معادلات دیفرانسیل باره‌ای دیگر این معادله هم به‌شرط مرزی احتیاج دارد و لذا لازم است کاربر برای هر جزء غلظت را در مرزها مشخص کند. در شکل زیر تصویری از شهر موردبررسی نشان داده‌شده است. همان‌طور که توضیح داده شد هدف از آنالیز انجام داده‌شده محاسبه میزان آلودگی CO₂ هست.

شبیه سازی آلودگی و تابش خورشید

همانطور که گفته شد در پروزه حاضر به بررسی توزیع آلودگی CO2 در محیط شهری بدلیل دود خروجی از خودروهای شهری و همچنین گرمای تولیدی بدلیل تابش خورشید توسط مدل Solar load پرداخته شده است.

نماهای استاندارد از مدل مورد بررسی

شبکه‌بندی هندسه محاسباتی

پس از مدل‌سازی هندسه موردنظر نوبت به مرحله بعدی شبکه‌بندی دامنه حل هست. ازآنجاکه نرم‌افزارهای تجاری از روش‌هایی چون المان محدود یا حجم محدود کار می‌کنند پس لازم است دامنه محاسباتی را به بخش‌های ریزتری تقسیم نمود. به این عمل اصطلاحاً شبکه‌بندی یا مش بندی می‌گویند. ازآنجاکه نرم‌افزار انسیس فلوئنت از روش حجم محدود استفاده می‌کند لذا اهمیت وجود یک شبکه باکیفیت دوچندان هست. همچنین ازآنجاکه فیزیک جریان سایش هست اطراف لوله بایست به‌دقت ریز شده باشد. تا اثرات برخورد ذرات به دیواره لوله به‌دقت موردبررسی قرار داده شود. شبکه حل می‌بایست دو ویژگی اصلی داشته باشد:

• در مناطقی که تغییرات زیاد است (گرادیان‌ها شدید) به‌اندازه کافی ریز باشد.
• شبکه‌بندی لایه‌مرزی به‌درستی ترسیم‌شده باشد.

با توجه به نکات ذکرشده در بالا شبکه‌ای مطابق اشکال زیر در نرم‌افزار انسیس مش تولید شد. به دلیل پیچیدگی‌های هندسی زیاد امکان شبکه‌بندی سازمان‌یافته وجود نداشت اما شبکه‌بندی بی‌سازمان به‌گونه‌ای انجام شد تا بتواند نواحی هندسی را به‌خوبی بوشش دهد. به‌طورکلی تعداد شبکه‌بندی 3.416.951 سلول هست. ازآنجاکه شبکه‌بندی به‌اندازه کافی ریز نشده بود به‌جای تخمین از توابع دیوار (Wall-Function) برای تخمین لایه‌مرزی به استفاده شد.

شبکه‌بندی انجام‌شده بلوک شهری

تحلیل در نرم‌افزار انسیس فلوئنت (ANSYS FLUENT)

پس از بارگذاری شبکه بر نرم‌افزار انسیس فلوئنت پروسه حل شروع می‌شود. این پروسه شامل تعریف مسئله موردنظر برای نرم‌افزار هست. شایان‌ذکر است که هرچه فیزیک موردنظر بهتر به نرم‌افزار القا شود نتایج حل و همگرایی مسئله به‌شدت بهبود میابد. جهت انجام اين كار بايد مراحل زير انجام گردد:

1. تعريف كليات مسئله
2. انتخاب مدل توربولانسي
3. تعريف مشخصات و شرايط عملياتي
4. فعال‌سازی مدل انتقال جزء
5. تعريف جنس مواد و سيالات بكار رفته
6. تعريف شرايط مرزي مربوط به هر جزء شیمیایی و شرط مرزی جریان
7. تعيين مشخصات نحوه حل معادلات و مشخص كردن کمیت‌های حل

ازآنجاکه تنظیمات انجام‌شده در فلوئنت بسیار طولانی بر اهمیت هست لذا تمام تنظیمات انجام‌شده به‌دقت انجام‌شده است. تمام تنظیمات انجام‌شده قابل استناد است و به شرح جدول (1) انجام‌شده است.

جدول (1) – تنظیمات انجام‌شده در نرم‌افزار فلوئنت

پس پردارش و تحلیل نتایج

پس از پایان شبیه‌سازی نوبت به استخراج نتایج می‌رسد. شکل (3) تا (5) نشان‌دهنده بخشی از خروجی‌های نرم‌افزار انسیس فلوئنت می‌باشند. همان‌طور که از شکل ذکرشده مشخص است نحوه عبور جریان در نزدیکی ساختمان‌ها به‌خوبی مدل‌سازی شده است. خطوط جریان به زیبایی رفتار جریان را در نزدیکی بلوک‌های ساختمانی مدل‌سازی نموده‌اند. همچنین کانتور سرعت در نزدیکی ساختمان بلند شهر نشان‌دهنده‌ی تغییرات ناگهانی سرعت هست. علاوه بر بررسی کانتور سرعت بر ساختمان‌ها رفتار جریان در خیابان‌ها نیز مدل‌سازی شده است. رفتار سنجی جریان در معماری شهر یکی از مهم‌ترین پارامترهای نشان‌دهنده ماندن یا خروج آلودگی در شهر هست. علاوه بر این نکته همچنین به کمک رفتار جریان می‌توان تخمین خوبی از نحوه رفتار گرمایشی و سرمایشی شهر در فصول مختلف سال و خصوصیات آب و هوایی شهر نیز به دست آورد. اشکال (6 و 7) نمایش‌دهنده کانتور دما در اطراف شهر هست. همان‌طور که مشخص است بالای ساختمان بلند شهر دقیقاً درجایی که سرعت بیشترین مقدار خود را دارد دما نیز بیشترین مقدار را داراست. اشکال (6 و 7) نمایش‌دهنده کانتور دما در اطراف شهر هست. همان‌طور که مشخص است بالای ساختمان بلند شهر دقیقاً درجایی که سرعت بیش‌ترین مقدار خود را دارد دما نیز بیشترین مقدار را داراست. اشکال (8 و 9) نمایش‌دهنده کانتور توزیع درصد وزنی CO₂ هست. شکل (8) نحوه پخش آلودگی در فراز شهر و شکل (9) تمرکز آلودگی در خیابان‌های شهری را به زیبایی به نمایش گذاشته است.

شکل 3- رفتار خطوط جریان اطراف بلوک‌های ساختمانی

شکل 4- کانتور سرعت اطراف بلوک‌های ساختمانی

شکل 5- بررسی رفتار جریان از نمای بالای شهر

شکل 6- کانتور دما اطراف بلوک‌های ساختمانی

شکل 7- کانتور دما بر روی  بلوک‌های ساختمانی

شکل 8- کانتور جزء CO₂ اطراف بلوک‌های ساختمانی

شکل 9- کانتور خش جزء CO₂ بر بالای شهر

خدمات شرکت پردازشگران مهر

برای مدلسازی و شبیه سازی آلودگی و انتقال حرارت تابشی، در نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS FLUENT) با ما تماس بگیرید. شرکت ما کارشناسان را در زمینه های مختلف مهندسی جمع آوری کرده است تا از کیفیت شبیه سازی CFD اطمینان حاصل شود. شرکت مهر اولین شرکتی است که شما می توانید با اطمینان خاطر سفارش پروژه CFD خود را آنلاین انجام دهید. یکی از اهداف ما این است که استفاده از روش های قدرتمند محاسباتی دینامیک سیالات را افزایش داده و مهندسان و کسانی که به دنبال دانش حرفه ای در CFD هستند را آموزش دهیم.

شبیه سازی های دینامیک سیالات محاسباتی با خدمات ما آسان خواهد شد. برای آموزش کاربرد های CFD و نرم افزارهای شبیه سازی با ما تماس بگیرید. پیشنهاد ما به شما خدمات زیر است. آموزش فلوئنت ,آموزش دینامیک سیالات محاسباتی ,انجام پروژه فلوئنت,مشاوره CFD ,شبیه سازی با فلوئنت,انجام شبیه سازی با فلوئنت,مشاوره پایان نامه فلوئنت,آموزش پایان نامه فلوئنت. مهندسان با تجربه ما مشاوره پیشرفته و پشتیبانی فنی مناسب را برای پروژهای دانشگاهی و صنعتی در اختیار شما قرار خواهند داد. شرکت پردازشگران مهر دارای سال ها تجربه در مدیریت و انجام پروژه های CFD است. ما آماده ایم که بهترین خدمات شبیه سازی را در فیلدهای مختلف مهندسی به شما ارائه دهیم.