Assessing pollutant ventilation in city planning alternatives using a large-eddy simulation
| Title: | Assessing pollutant ventilation in city planning alternatives using a large-eddy simulation |
| Author(s): | Kurppa, Mona |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics |
| Discipline: | Meteorology |
| Language: | English |
| Acceptance year: | 2016 |
| Abstract: |
This thesis is a case study of the impact of urban planning on local air quality along a planned city boulevard in western Helsinki. The aim of this study is to analyse ventilation and dispersion of traffic-related air pollutants inside street canyons and courtyards in four alternative city block design versions. In particular, whether the format and variation of building height can improve air quality in future planned neighbourhoods and as such, help improve the decision-making process in city planning.
The study employs a large-eddy simulation (LES) model PALM with embedded Lagrangian stochastic particle and canopy models to simulate transport of pollutants (air parcels) and the aerodynamic impact of street trees and a surrounding forest on pollutant transport. The embedded models are revised by the author to take into account the horizontal heterogeneity of the particle sources and plant canopy. Furthermore, three-dimensional two-way self-nesting is used for the first time in PALM in this study. High-resolution simulations are conducted over a real urban topography under two contrasting meteorological conditions with neutral and stable stratification and south-western and eastern wind direction, respectively.
The comparison of the different boulevard-design versions is based on analysing the temporal mean particle concentrations, the turbulent vertical particle flux densities and the particle dilution rate. Differences in flux densities between the versions show a strong dependence on urban morphology whereas the advection-related dilution rate depends on the volume of unblocked streamwise street canyons. A suggestive ranking of the versions is performed based on the horizontal mean values of the analysis measures (separately for the boulevard, the other street canyons, the courtyards and the surroundings). Considering both meteorological conditions, the design version with variable building height and short canyons along the boulevard outperforms the other design versions based on the ranking. This is especially pronounced in stable conditions. Surprisingly, variability in building shape did not induce clear improvements in ventilation.
This is the first high-resolution LES study conducted over a real urban topography applying sophisticated measures to assess pollutant dispersion and ventilation inside street canyons and courtyards.
Tässä pro gradu -työssä tutkittiin kaupunkisuunnittelun vaikutusta paikalliseen ilmanlaatuun Helsingin yleiskaavassa 2050 nykyiselle Hämeenlinnanväylälle suunnitteilla olevalla kaupunkibulevardilla kaupungin länsiosassa. Tavoitteena oli verrata liikenteen päästöjen kulkeutumista ja tuulettumista pois katukuiluista ja sisäpihoilta käyttäen neljää erilaista kaupunkikorttelimalli, ja tutkia voiko rakentamisratkaisuilla parantaa ilmanlaatua.
Tutkimus tehtiin käyttäen suurten pyörteiden simulaatiomallia (large-eddy simulation, LES) PALM. Lisäksi malliin on liitetty Lagrangelainen stokastinen hiukkasmalli, jolla simuloitiin hiukkasten (ilmapakettien) kulkeutumista ilmavirtauksen mukana, sekä kasvillisuusmalli, joka huomioi katupuiden ja läheisen metsän aerodynaamisen vaikutuksen ilmanvirtaukseen ja näin ollen myös hiukkasten kulkeutumiseen. Tutkimusta varten hiukkas- ja kasvillisuusmalleja kehitettiin ottamaan huomioon sekä hiukkaslähteiden että puiden sijainnin horisontaalisen vaihtelevuuden. Lisäksi mallisimulaatioissa hyödynnettiin ensimmäistä kertaa ominaisuutta, jossa ison laskenta-alueen sisällä on määritelty pienempi ja tiheähilaisempi laskenta-alue, mahdollistaen samanaikaisesti sekä suuren laskenta-alueen että riittävän laskentaerotuskyvyn. Mallisimulaatiot tehtiin todellisen kaupunkitopografian yllä käyttäen korkeaa laskentaerotuskykyä kahdessa eri säätilanteessa, neutraalisti ja stabiilisti kerrostuneelle rajakerrokselle lounais- ja itätuulella.
Eri kortteliversioita arvioitiin tarkastelemalla keskimääräisiä hiukkaspitoisuuksia, turbulenttista pystysuuntaista hiukkasvuotieheyttä sekä hiukkaspitoisuuksien laimenemisnopeutta. Erot hiukkasvuotiheyden voimakkuudessa määräytyivät rakennusten muodon ja orientaation mukaan, kun taas laimenemisnopeus riippui virtauksen esteettömyydestä. Kortteliversiot luokiteltiin laskemalla analyysimuuttujien aluekeskiarvot erikseen bulevardille, muille katukuiluille, sisäpihoille ja ympäristölle, ja asettamalla kortteliversiot paremmuusjärjestykseen kaikkien muuttujien perusteella. Molemmat meteorologiset olosuhteet huomioiden, korttelimalli vaihtelevalla rakennuskorkeudella ja suurella määrällä risteyksiä bulevardia pitkin osoittautui luokittelun mukaan parhaaksi vaihtoehdoksi. Tämä havaittiin etenkin stabiilissa säätilanteessa, joka yleensä johtaa huonoon ilmanlaatuun Helsingissä. Yllättäen, rakennusmuodon vaihtelevuus ei osoittanut voimistavan tuulettumista.
Tämä on ensimmäinen todellisen kaupunkitopografian yllä suoritettu korkean laskentaresoluution LES-tutkimus, jossa päästöjen kulkeutumista ja tuulettumista arvioidaan käyttäen useita suoria ja aiempaa monimutkaisempia mittareita. Tuloksia tullaan hyödyntämään kaupunkisuunnittelussa ja päätöksenteon tukena, kun tavoitteena on rakentaa mahdollisimman puhtaita elinympäristöjä.
|
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| progradu_monakurppa.pdf | 15.46Mb |
This item appears in the following Collection(s)
-
Faculty of Science [4203]