33010

شبيه‌سازي گردابه‌هاي بزرگ ميدان جريان و پراكندگي ذرات آلاينده به روش لتيس بولتزمن براي يك ساختمان مدل با تهويه طبيعي

دكتري تخصصي

مهندسي مكانيك-تبديل انرژي

1395

1403/08/27

فرزاد بازديدي طهراني

-

مهندسي مكانيك

مطالعه نحوه پراكندگي آلاينده‌ها مي‌تواند كمك شـاياني به درك بهتر رفتار آن‌ها و ارائه راهكارهاي موثرتر براي حذف يا كاهش غلظت آن‌ها كند. بررسي عملكرد تهويه طبيعي به عنوان ساده‌ترين و اقتصادي‌ترين راه براي حذف يا كاهش آلاينده‌ها از محيط داخل و همچنين آگاهي و درك رفتار ورود آلاينده منتشرشده از يك منبع خارجي به محيط داخل حائز اهميت است. با وجود آنكه خطرناك‌ترين نوع آلاينده‌ها براي سلامتي انسان، ذرات معلق با قطر كمتر از 10 ميكرون است، تاكنون در پژوهش‌هاي پيشين، آلاينده‌هاي گازي موجود در هوا بيشتر مورد توجه قرار گرفته‌اند. پيچيدگي‌هاي جريان تهويه طبيعي از جمله تغييـرات گذرا، هم‌بستگي جريان داخل و خارج، وجود گردابه‌هاي مقياس كوچك در داخل، وجود گردابه‌هاي مقياس بزرگ در خارج و همچنين وجود پديده جدايي و الحاق مجدد جريان به سطح، سبب انتخاب روش مدل‌سازي شبيه‌سازي گردابه‌هاي بزرگ (LES) گرديد. چالش اصلي در اين راه، هزينه محاسباتي شبيه‌سازي هندسه تهويه طبيعي است كه يك روش با قابليت موازي و سريع را مي‌طلبد. اخيراً روش لتيس بولتزمن (LBM) به عنوان يك رويكرد صريح با قابليت پردازش موازي جهت شبيه‌سازي جريان‌هاي پيچيده از جمله جريان‌هاي چندفازي مورد توجه بوده است. در همين راستا در رساله حاضر، يك الگوريتم موازي به روش تلفيقي LBM-LES در محيط نرم‌افزاري OpenLB توسعه داده شده است تا رفتار جريان تهويه طبيعي حاوي ذرات معلق را پيش‌بيني و شبيه‌سازي كند. در راستاي پردازش موازي كارآمد، تجزيه دامنه براي هر دو فاز جريان و ذرات، پخش مساوي ذرات روي هسته‌هاي پردازشي و گام برخورد تك مرحله‌اي در LBM-LES اعمال شد. همچنين از مدل‌هاي زيرشبكه SSLM و WALE به ترتيب در جريان داخلي و جريان تهويه طبيعي استفاده گرديد و جهت رديابي ذرات آلاينده، از رويكرد رديابي اويلرين-لاگرانژين بهره برده شد. مدل مورد نظر در ابتدا براي جريان هواي حاوي ذرات معلق داخل يك ساختمان مدل به كار برده شد و خروجي آن به صورت كمي و كيفي با نتايج تجربي و عددي روش حجم محدود (FVM-LES) مقايسه گرديد. نتايج حاكي از دقت مناسب روش LBM بود و نشان دادند با وجود نياز روش LBM به حدود دو برابر تعداد سلول شبكه محاسباتي، درصد خطا نتايج ميدان جريان 13% براي LBM و 21% براي FVM است. درصد خطا براي نتايج ميدان ذرات 23% و 25% به ترتيب براي LBM و FVM بود. همچنين در مقايسه با نتايج عددي و تجربي، LBM با دقت بالايي گردابـه اصلي، خطوط جريان، كانتور و بردارهاي سرعت و كانتور غلظت ذرات را پيش‌بيني نمود. نتايج استفاده از گام برخورد تك مرحله‌اي حاكي از كاهش 17 درصدي مصرف حافظه در روش LBM بود. استفاده از مدل تلفيقي در جريان داخلي نشان داد با وجود نيـاز به دقت شبكه بالاتر، زمان محاسباتي LBM به‌طور چشمگيري كاهش مي‌يابد به طوري كه سرعت پردازش مي‌تواند تا چهار برابر در فاز جريان و هشت برابر در شبيه‌سازي ذرات افزايش يابد. در گام بعدي يك ساختمان مدل قرار گرفته در جريان تهويه طبيعي شبيه‌سازي گرديد و پروفيل‌هاي سرعت روي خطوط عمودي و افقي داخل ساختمان، بردارها و كانتورهاي سرعت به همراه خطوط جريان با نتايج تجربي و عددي مقايسه شد. مطابق انتظار، LBM-LES وجود ساختارهاي منسجم ورتكس نعلي اسبي و ورتكس ايستاده در جلوي ساختمان، ورتكس لبه سقف، ناحيه ويك پشت ساختمان و ورتكس‌هاي سنجاق سري در امتداد دنباله جريان پشت ساختمان را آشكار كرد. نتايج ميدان غلظت نشان داد در حالي كه غلظت آلاينده گازي در مناطق دور از منبع آلاينده 0.05-0.02 است، غلظت ذرات معلق در سطح بالاتري و در محدوده حدود 0.2-0.1 مي‌باشد. همچنين فاصله توقف طولاني ذرات در جت ورودي برابر با 797-531 ميكرومتر است كه منجر به انحراف ذرات از مسير خطوط جريان و در نتيجه تجمع ذرات در بالا و پايين ديواره‌ها و نواحي كنج گرديده است. در حالي كه نتايج FVM-LES برگرفته از پژوهش‌هاي پيشين ميانگين 32% را براي درصد خطا متوسط روي خط عمودي مركز ساختمان ارائه مي‌دهد، اين مقدار براي LBM-LES با وضوح شبكه 2.7 برابر، 34٪ بود. در نهايت علي‌رغم نياز به دقت شبكه بالاتر، مدل LBM-LES تقريباً سرعت شبيه‌سازي ميدان جريان را تا 3 برابر افزايش مي‌دهد.

1403/10/16

Large Eddy Simulation of Flow Field and Particle Dispersion using the Lattice Boltzmann Method for a Naturally Ventilated Model Building

1/1/1900 12:00:00 AM

Studying the dispersion of pollutants can help to better understand their behavior and provide more effective solutions to eliminate or decrease their concentration. It is imperative to examine the performance of natural ventilation as the simplest and most economical way to remove or decrease pollutants from the indoor, as well as to realize the behavior of pollutants released from external sources into the buildings. Although the foremost dangerous type of pollutants for human health are suspended particles with a diameter of less than 10 microns, previous research has focused more on gaseous pollutants. The complexities of natural ventilation flow including transient changes, the interaction between the inside and outside flow, the presence of small-scale vortices inside, the presence of large-scale vortices outside, as well as the phenomenon of separation and reattaching of the flow to the surface, are the reasons for choosing large eddy simulation (LES) as a turbulent solver method. The main challenge in this method is the computational cost of simulating natural ventilation geometry, which requires parallel and fast processing. As of late, the Lattice Boltzmann method (LBM) has gained interest as an explicit approach with parallel processing capability to simulate complex flows, including multiphase flows. So, in this thesis, a parallel algorithm has been developed using the combined LBM-LES method in the OpenLB software environment to predict and simulate the behavior of natural ventilation flow with airborne particles. For efficient parallel processing, domain decomposition for both flow and particle phases, equal distribution of particles on processing cores, and a single-step collision step have been applied in LBM-LES. Additionally, SSLM and WALE subgrid models have been utilized in the internal flow and natural ventilation flow, respectively, and the Eulerian-Lagrangian tracking approach has been used to track pollutant particles. The intended model is initially used to simulate airflow containing suspended particles inside a model building, and its output is then compared quantitatively and qualitatively with the experimental and numerical results obtained using the finite volume method (FVM-LES). The results showed that the LBM had an appropiate level of accuracy. Despite requiring almost twice the number of computational grid cells, the LBM method had an error percentage of is 13% for the flow field results, while the FVM had an error percentage of 21%. For the particle concentration results, the error percentage is 23% and 25% for LBM and FVM, respectively. Furthermore, when compared to the numerical and experimental results, the LBM method accuracy predicted the main vortex, flow lines, contour, velocity vectors and particle concentration contour. Additionally, using a single-stage collision step in the LBM method resulted in a 17% reduction in memory consumption. The use of the integrated model in the internal flow showed that despite the need for higher grid accuracy, the LBM calculation time is significantly reduced so that the processing speed can increase up to four times in the flow phase and eight times in the particle simulation. In the next step, a model building placed in the flow of natural ventilation has been simulated and the velocity profiles on vertical and horizontal lines inside the building, velocity vectors and contours along with flow lines have been compared with experimental and numerical results. As expected, LBM-LES revealed the presence of coherent structures of horseshoe vortex and standing vortex in front of the building, roof edge vortex, wake region behind the building, and hairpin vortices along the wake behind the building. The results of the concentration field showed that while the concentration of the gaseous pollutant in the areas far from the pollutant source is 0.02-0.05, the concentration of suspended particles is at a higher level and in the range of 0.1-0.2. Also, the terminal distance of the particles in the inlet jet is equal to 531-797 micrometers, which has led to the deviation of the particles from the path of the flow lines and as a result, the accumulation of particles on the top and bottom of the walls and corner areas. While FVM-LES results obtained from previous studies provide an average of 32% for the average error percentage on the vertical center line of the building, this value is 34% for LBM-LES with 2.7x grid resolution. Finally, despite the need for higher mesh accuracy, the LBM-LES model increases the simulation speed of the flow field by almost 3 times.

روش لتيس-بولتزمن , شبيه‌سازي گردابـه‌هاي بزرگ , پراكندگي ذرات معلق , تهويه طبيعي , پردازش موازي

Natural ventilation , Large eddy simulation , Lattice-Boltzmann method , Particle dispersion , Parallel processing

Mohammad Saleh Sargazizadeh

Dr. Farzad Bazdidi-Tehrani