Levegőminőség-orientált várostervezési stratégiák  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »
 

Projekt adatai

  
azonosító
124439
típus K
Vezető kutató Kristóf Gergely
magyar cím Levegőminőség-orientált várostervezési stratégiák
Angol cím Air quality oriented urban design strategies
magyar kulcsszavak szennyező-terjedés, levegőminőség, légszennyezés, periodikus modell, többskálás modell
angol kulcsszavak dispersion, air quality, air pollution, periodic model, multiscale model
megadott besorolás
Áramlás- és Hőtechnika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)90 %
Ortelius tudományág: Hőtechnika
Településtudomány (Komplex Környezettudományi Kollégium)10 %
Ortelius tudományág: Vidék- és településtervezés
zsűri Gépész-, Építő-, Építész- és Közlekedésmérnöki
Kutatóhely Áramlástan Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem)
résztvevők Balczó Márton
Balogh Miklós
Benedek Tamás
Farkas Balázs
Istók Balázs
Koren Márton
Suda Jenő Miklós
Szente Viktor
projekt kezdete 2017-09-01
projekt vége 2022-08-31
aktuális összeg (MFt) 39.919
FTE (kutatóév egyenérték) 8.00
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A közlekedési eredetű szennyezők terjedését vizsgáljuk mikroskálás és mezoskálás modellekkel. A mikroskálás modell egy csoportunk által nemrégiben publikált periodikus transzport megközelítésre épül. A városi komplexre jellemző anyagátadás intenzitását egy speciálisan értelmezett anyagátadási tényező segítségével határozzuk meg, mely számszerűen jellemzi a szennyező hígulás hatásosságát. A szennyező terjedés egyszerűsített leírási módja lehetővé teszi az épülettömeg (és más tereptárgyak) elrendezésének optimalizálását az adott területen elhelyezett hasznos épülettérfogat csökkentése nélkül, ily módon nem sérül a beépítéstől elvárt gazdasági előny. A periodikus terjedésmodell segítségével olyan lehetséges megoldásokat vizsgálunk, mint például hosszú sövény telepítése egy forgalmas utca középvonalában, vagy az épületek alapjának megnyitása talajszinten. A modellt a hőtranszport és a természetes konvekció figyelembevételével továbbfejlesztjük, melynek révén megvizsgálhatjuk a napenergia levegőminőség javításra való felhasználásának lehetőségét. Minden városban jelen van a hősziget jelenség okozta konvekció, mely gyengeszeles állapotokban meghatározó szerepet játszik a szennyezők transzportjában. Ezt a folyamatot mezoskálás modell segítségével vizsgáljuk, a modell továbbfejlesztése mellett. Szélcsatornás teszteket tervezünk a mikroskálás modell validálása és az optimalizált épületelrendezések hatékonyságának igazolására. További validációs elemzéseket tervezünk a The University of Hong Kong és a Sun Yat-Sen University kutatóival együttműködésben.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Sűrűn beépített városokban a magas épületek és más tereptárgyak gátolják a közlekedési eredetű szennyezők kiürülését. Egy Kristóf és Füle (2017) által javasolt új módszer szerint, a talaj közelében jellemző koncentráció-többlet egy dimenzió nélküli anyagátadási tényezővel fejezhető ki, melynek értéke numerikus áramlástani (CFD) modell alkalmazásával bármilyen épület-elrendezésre meghatározható. Ez a kvantitatív módszer lehetővé teszi különféle épület-elrendezések összehasonlítását a szennyezőanyagok hígulása szempontjából, és módot ad az optimális elrendezés megkeresésére. A módszer validációja, továbbfejlesztése és tudományos kiaknázása a kutatás fontos céljait képezik. Útmutatásokat dolgozunk ki várostervezők részére a következő kérdés megválaszolásával: Hogyan lehet egy adott területen úgy elrendezni adott hasznos épülettérfogatot és más tereptárgyakat, hogy az talaj közelében a lehető legintenzívebb szennyezőanyag hígulást eredményezze?

Kutatócsoportunk egy korábbi publikációjában a CFD megoldók mezoskálás jelenségekhez történő adaptálását biztosító transzformációs módszert közölt (Kristóf és társai, 2009). E módszer lehetővé teszi olyan kisszeles légköri helyzetek vizsgálatát is, melyek esetében a hőmérsékleti különbségek okozta helyi feláramlások kulcsszerepet játszanak. A kutatás keretében tervezzük e módszer továbbfejlesztését, továbbá a mezoskálás modell alkalmazását a városi légszennyezés terjedésvizsgálatában. Ennek kapcsán a központi kérdés: Milyen szerepet játszik a városi hősziget okozta cirkuláció a szennyezőanyag terjedésben?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Célul tűzzük ki az alábbi tudományos eredmények elérését:
- Az épületelrendezés optimálására alkalmas modellezési eljárás részletes validációja és a módszer elterjesztése.
- Különféle geometriai beavatkozások kedvező hatásainak megértése a periodikus szennyező terjedési modell segítségével.
- Az optimalizált épület elrendezések kedvező szellőzési tulajdonságainak kísérleti igazolása komplex városi környezetben.
- Hőtranszport és természetes áramlási jelenségek figyelembe vétele a periodikus szennyező terjedési modellben.
- Új, városi légszennyező terjedés többskálás modellezésre alkalmas hálógeneráló szoftver kifejlesztése.
- A szennyező terjedés leírására is alkalmas új porózus városmodell.
- A városi hősziget jelenség okozta konvekció szennyező terjedésre gyakorolt hatásának megismerése.
- A szennyezőkupola (nagyvárosok felett alkalmanként kialakuló magas légszennyezettségű „buborék”) képződés mélyebb megértése.
- Az urbanizációs folyamat szennyező terjedésre gyakorolt hatásának demonstrációja.
A kutatási eredményeket 5 folyóirat cikkben (impakt faktorral rendelkező nemzetközi folyóiratokban), továbbá 6 konferencia előadásban (nemzetközi konferenciákon) publikáljuk. A vezető kutató elkészíti az akadémiai doktori értekezését a projekt keretében, továbbá a projekt kutatási alapját képezi két további PhD értekezésnek. Intenzív tudományos együttműködést tervezünk a The University of Hong Kong, a Sun Yat-Sen University in Guangzhou, továbbá a University of Karlsruhe kutatóhelyekkel.
A kutatás hozzájárul a porózus terekben és érdes felületek felett kialakuló transzport folyamatok mélyebb megértéséhez, továbbá a mikro- és mezoskálás termikus folyamatok szennyező terjedésre gyakorolt hatásának megismeréséhez. Az optimalizált épületelrendezésekkel egészségesebb városi környezet alakítható ki az urbanizáció kedvező hatásainak korlátozása nélkül, ezért a projekt eredményei várostervezési útmutatók alapjául szolgálhatnak. A kutatás távlati hatása a városi lakosság életkörülmények javítása.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A városi légszennyezés kapcsán világszerte minden 1 millió korai haláleset történik, társadalmi költségei pedig fejlett országok esetében a GDP 2%-át, fejlődő országok esetében a GDP 5%-át teszik ki. Az alkalmi szükségintézkedések, például a járműforgalom korlátozása, kényelmetlenséget okoznak a lakosságnak, mint azt legutóbb Január 23-án a budapestiek is tapasztalhatták. A probléma a nagyarányú urbanizáció és beépítési intenzitás kapcsán merül fel, mert a magas épületek és egyéb objektumok gátolják a közlekedési eredetű légszennyezők elszállítását a sűrű beépítésű területeken. Nem szabad azonban elfelejteni, hogy az urbanizációnak számos pozitív gazdasági hatása van, melynek kapcsán a legmagasabb ingatlanárak a városközpontokra jellemzők. Javíthatjuk-e a városi levegő minőségét valamely adott térfogatú épülettömeg és más tereptárgyak megfelelő elrendezésével?
Van több lehetséges megoldási módszer, melyek kivizsgálhatók egy új szimulációs módszer felhasználásával. Kutatásunk különös figyelmet fordít a levegőminőség szempontjából legkritikusabbaknak tekinthető gyengeszeles (és szélcsendes) állapotokra. A hőmérsékleti egyenlőtlenségek okozta feláramlások fontos szerephez jutnak ezekben a légköri állapotokban. Az új szimulációs módszer kísérleti ellenőrzését, továbbfejlesztését, és tudományos kiaknázását tűztük ki célul a kutatás során, ami hosszú távon, jobb várostervezési módszereket és egészségesebb környezetet eredményezhet.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The dispersion of transport traffic-produced air pollution will be analyzed in microscale and mesoscale modelling frameworks. The microscale model is based on a novel periodic transport approach, which was recently published by the research team. The intensity of turbulent mass transfer through the urban canopy (consisting of buildings, vegetation and other objects) is characterized by a uniquely defined dimensionless mass transfer coefficient, which quantitatively characterizes the dilution efficiency. The simplified description pollutant transport allows for the optimization of the arrangement of building masses and other flow obstructions without decreasing the valuable useful building volume over a given land area, and consequently, the economic benefits of urbanization can be maintained. Possible solutions like planting a hedgerow in the middle of the busy road or opening the base of building at ground level will be investigated with the help of the periodic dispersion model. The model will be further developed by taking into account the thermal effects and natural convection, that way, the possibility of utilizing solar energy for air quality improvement can be investigated. The urban breeze, caused by the urban heat island convection is a ubiquitous flow having major impact on the transport of air pollutants in calm wind conditions. This interaction will be explored in the mesoscale modelling framework, while further developing the modelling method. Wind tunnel experiments are planned for validating the microscale model as well as for testing the optimized geometrical arrangements. Further validations are planned in collaboration with two Chinese universities.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
In densely built cities, the urban canopy consisting of high-rise buildings and other obstructions hinders the transport of traffic-produced pollution. A methodology was recently proposed by Kristóf and Füle (2017) for expressing the concentration excess at ground level with a non-dimensional mass transfer coefficient, which can be obtained from a Computational Fluid Dynamic (CFD) model for any given building configuration. This quantitative method can be used for comparing different building configurations from the point of view of air pollutant dilution efficiency as well as for seeking for the optimum design. The validation, the further development, and the scientific exploitation of this new methodology are major aims of the proposed research. Guideline shall be provided for urban designers by answering the following question: How could a given useful building volume (and other flow obstructions) be arranged over a given surface area to achieve the highest possible dilution of air pollutant at ground level?

Our research team has an earlier contribution to multiscale modelling by defining a transformation system which makes possible the adaptation of CFD solvers to mesoscale phenomena (Kristof et al. 2009) allowing for the investigation of those calm wind situations when the thermal convections play a key role in the pollutant transport. In the present research project the further development of this methodology is planned, as well as the utilization of the mesoscale model in urban air quality modelling. The related focal question is: What is the role of the urban heat island convection in the dispersion of air pollutants?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The following scientific outcomes are targeted by the project:
- Deeper validation and dissemination of the building arrangement optimization method.
- Exploration of the favorable effects of several possible geometrical modifications with the help of the periodic dispersion model.
- Experimental evidence on the superior pollution dilution performance of the optimized building arrangements in complex built environments.
- Further development of the periodic dispersion model by taking into account the heat transport and the natural convection.
- New meshing method and software for multiscale urban dispersion simulations.
- New porous canopy models with dispersion prediction capability.
- Exploration of the effects of the Urban Heat Island Convection in the urban air pollution dispersion.
- Deeper understanding of the formation of urban domes (long living giant bubbles of polluted air above large cities).
- Demonstration of the effect of urbanization on pollution dispersion and transport.
The results will be published in 5 journal papers (in international archival journals having impact factor) as well as in 6 conference publications (presented on international conferences). The principal investigator completes his doctoral thesis for D.L.A degree in the framework of the proposed project, furthermore, the project provides basis for two new PhD thesis works. Intense scientific collaboration is planned with The University of Hong Kong, Sun Yat-Sen University in Guangzhou, and with the University of Karlsruhe.
Successful completion of the project leads to deeper understanding of transport processes, in particular porous media flows and turbulent flow past rough surfaces, moreover to better understanding of the role of microscale and mesoscale thermal effects in atmospheric dispersion. The optimized building arrangements may provide healthier environment without deteriorating the economic benefits of urbanization, therefore might be used as fundamental components of best practice guidelines for urban planning. An anticipated broader influence is the improvement of life conditions of urban citizens.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Urban air pollution is linked to approximately 1 million premature deaths each year worldwide, furthermore it costs approximately 2% of GDP in developed countries and 5% in developing countries. The ad-hoc mitigation measures like traffic restriction cause inconvenience for the population, as was experienced last time on 23 January at Budapest. The problem is related to the high level of urbanization and building density, because the urban canopy consisting of high-rise buildings and other obstructions hinders the transport of traffic-produced pollution in densely built cities. Although, we shall not forget, that the urbanization does have many favorable economic effects, and that is why real estates are most expensive in city centers. Can we do more for urban air quality by properly arranging given amount of building masses and other flow obstructions?
There are some potential solutions which could be investigated by using a novel simulation and optimization method. The research pays special attention on calm wind (or no wind) conditions which are known to be most critical from the point of view of air quality. Those flows, caused by the air temperature differences, might play a principal role in calm meteorological conditions. The experimental validation, the further development, and the scientific exploitation of the novel simulation methods are planned, which might lead to better urban planning strategies and healthier environment.




 

Zárójelentés

  
kutatási eredmények (magyarul)
A projekt keretében új módszereket fejlesztettünk ki a nagyörvény szimulációs (LES) modellek hajtására a mezoskálás meteorológiai hatások és a nagy méretskálájú turbulencia figyelembevételével, továbbá a légszennyezők városi felszín feletti terjedésének vizsgálatára a periodikus tartományban meghatározott időfüggő sebességmezők felhasználásával. Kifejlesztettünk egy termikus analógiára épülő munkamódszert, mely lehetővé teszi a passzív légköri szennyezők terjedésének vizsgálatát, valamint az épületekre ható dinamikus szélterhelések számítását egy ismert GPU alapú áramlásmodell felhasználásával, az általánosan használt CPU alapú modellekhez képest két nagyságrenddel rövidebb idő alatt. Az új módszereket szélcsatorna-mérésekkel validáltuk, majd felhasználtuk kedvező átszellőzést biztosító épületelrendezések keresésére, valamint egy gyakorlati városrendezési feladat (Miskolc, Újgyőri főtér környékének áttervezése) megoldásában. Az épület hossza mentén váltakozó magasságú épületekkel – az utca két oldalán aszimmetrikus (sakktáblás), periodikus elrendezésben – mintegy 45% utcaszinti koncentrációcsökkenést figyeltünk meg az azonos épülettérfogatú, állandó magasságú beépítési formához képest, amennyiben az épületmagasság aránya 3-nál nem kisebb. A javasolt elrendezés előnye, hogy az épületek (értékesebb) földszinti beépített területe nem csökken az állandó magasságú beépítési formához képest, továbbá nagyobb méretű ablakfelület beépítését teszi lehetővé.
kutatási eredmények (angolul)
In the framework of the project, we developed new methods for driving large-eddy simulation (LES) models taking into account mesoscale meteorological effects and large-scale turbulence, and also for investigating the transport of air pollutants over the urban surface using time-dependent velocity fields determined in the periodic domain. We have developed a workflow based on thermal analogy, which enables the investigation of the dispersion of passive atmospheric pollutants, as well as the calculation of dynamic wind loads on buildings using a well-known GPU-based flow model two orders of magnitude faster compared to commonly used CPU-based models. We validated the new methods with wind tunnel measurements and then used them to search for building layouts favorable for ventilation, as well as to solve a practical urban planning task (redesign of the area of Miskolc, Újgyőr főtér). With buildings of alternating height along the length of the building - in an asymmetrical (staggered) periodic arrangement on both sides of the street - we observed a concentration reduction of about 45% at street level compared to the building form of constant height with the same building volume if the building height ratio was at least 3. The advantage of the proposed layout is that the (more valuable) built-up area on the ground floor of the buildings does not decrease compared to the constant-height installation form, and it also enables the installation of a larger window area.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=124439
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

  
KRISTÓF, Gergely; PAPP, Bálint: Application of GPU-based Large Eddy Simulation in urban dispersion studies, Atmosphere, 2018, 9.11: 442., 2018
KRISTÓF, Gergely; PAPP, Bálint: Optimization of Building Patterns for Better Air Quality Using GPU-Based Large Eddy Simulation, Abstracts Vol. 21, EGU2019 General Assembly, 2019., 2019
PAPP, Bálint; KRISTÓF, Gergely: Épületmintázatok optimalizálása a levegőminőség javításának érdekében GPU alapú nagyörvény szimulációval, OGÉT 2019 proceedings, 2019
PAPP, Bálint: Városi szennyezőanyag-terjedés vizsgálata nagyörvény szimulációval numerikus szélcsatornában, Országos Tudományos Diákköri Konferencia 2019, 2019
Kristóf, G.; Papp, B.; Wang, H.; Hang, J.: Investigation of the flow and dispersion characteristics of repeated orographic structures by assuming transient wind forcing, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2020, 197, 104087., 2020
Papp, B., Kristóf, G., Gromke, C.: Épületek szélterhelésének becslése GPU alapú nagyörvény szimulációval numerikus szélcsatornában, XXVIII. Nemzetközi Gépészeti Konferencia – OGÉT, 161-165., 2020
Papp, B., Kristóf, G., Istók, B., Koren, M., Balczó, M., Balogh, M.: Measurement-driven Large Eddy Simulation of dispersion in street canyons of variable building height, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 211, 104495., 2021
Papp, B., Kristóf, G., Gromke, C.: Application and assessment of a GPU-based LES method for predicting dynamic wind loads on buildings, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2021
Szilágyi, M. Á., Papp, B.: Miskolc átszellőzésének vizsgálata GPU alapú nagyörvény szimulációval, XXVIIII. Nemzetközi Gépészeti Konferencia (OGÉT 2021) kiadványkötete (ISSN 2668-9685), 80-83., 2021
Koren, M., Balogh, M.: The role of thermal convection in the dispersion of traffic-induced air pollutants Kis léptékű nem-hidrosztatikus légköri áramlások numerikus modein the urban environment, Légkör: Az Országos Meteorológiai Intézet szakmai tájékoztatója 65(3), 130-135., 2020
Papp, B., Kristóf, G.: The role of thermal convection in the dispersion of traffic-induced air pollutants in the urban environment, 20th International Conference on Harmonisation within Atmospheric Dispersion Modelling for Regulatory Purposes, 2021
Papp, B., Istók, B., Koren, M., Balczó, M., Kristóf, G.: Statistical assessment of the ventilation of street canyons based on time-resolved wind tunnel experiments, PHYSMOD 2022 – International Workshop on Flow and Dispersion Phenomena, Book of extended abstracts (ISBN 978-80-87012-81-9), 143-155, 2022
Koren, M., Balogh, M., Kristóf, G.: Transient Wind Forcing: a method for modelling wind shear in building-scale Large Eddy Simulations, PHYSMOD 2022 – International Workshop on Flow and Dispersion Phenomena, Book of extended abstracts (ISBN 978-80-87012-81-9), pp 123., 2022
Koren, M., Kristóf, G: Wind-shear coupling method to implicate large turbulent structures in a building-scale large eddy simulation, Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF'22), WS5 workshop, 2022
Balogh, M., Farkas, Á., Weidinger, T., Salma, I.: Dispersion simulation of firework-related aerosols, Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF'22), WS5 workshop, 2022
Papp, B., Kristóf, G: Building Patterns Favorable for Air Quality: A Parameter Study Using LES, Proceedings of the Conference on Modelling Fluid Flow CMFF’22 (ISBN 978-963-421-881-4), 443-456., 2022
Papp, B., Istók, B., Koren, M., Balczó, M., Kristóf, G.: Statistical assessment of the ventilation of street canyons based on time-resolved wind tunnel experiments., PHYSMOD 2022 – International Workshop on Flow and Dispersion Phenomena, Book of extended abstracts (ISBN 978-80-87012-81-9), 143-155., 2022
Koren, M., Balogh, M., Kristóf, G.: Transient Wind Forcing: a method for modelling wind shear in building-scale Large Eddy Simulations, PHYSMOD 2022 – International Workshop on Flow and Dispersion Phenomena, Book of extended abstracts (ISBN 978-80-87012-81-9), pp 123., 2022
Koren, M., Kristóf, G: Wind-shear coupling method to implicate large turbulent structures in a building-scale large eddy simulation, Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF'22), WORKSHOP 5 - Coupling techniques in multiscale atmospheric models: Microphysics, local scale simulations, PBL structure, 2022
Balogh, M., Farkas, Á., Weidinger, T., Salma, I.: Dispersion simulation of firework-related aerosols, Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF'22), WORKSHOP 5 - Coupling techniques in multiscale atmospheric models: Microphysics, local scale simulations, PBL structure, 2022
Papp, B., Kristóf, G.: Building Patterns Favorable for Air Quality: A Parameter Study Using LES, Proceedings of the Conference on Modelling Fluid Flow CMFF’22 (ISBN 978-963-421-881-4), 443-456., 2022




 

Projekt eseményei

  
2020-02-14 10:42:53
Résztvevők változása
2019-04-29 12:36:27
Résztvevők változása



vissza »