Numerical study of near-field pollutant dispersion around a building complex emitted from a rooftop stack

Lateb, Mohamed (2013). Numerical study of near-field pollutant dispersion around a building complex emitted from a rooftop stack. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The topic of environmental pollution is of special significance in the atmospheric boundary layer (ABL) especially in urban areas as it is one of the significant sources of poor indoor air quality due to contamination of fresh-air intakes. In city centres where external air pollution levels are relatively high, it is usually assumed that natural ventilation may not be able to provide adequate indoor air quality. Therefore mechanical ventilation and air-conditioning systems are thus being solicited to "clean" the incoming air (Kukadia and Palmer, 1998). There is evidence that such systems do not always provide clean fresh-air to the occupants of the building since several contaminants from nearby outside sources exist (e.g. vehicle exhaust, rooftop stack exhaust, wind-blown dust). Control of the pollutant sources and understanding the dispersion mechanisms, therefore, shall be considered as the first alternative to evaluate better these harmful phenomena.

This thesis focuses on dispersion and transportation of pollutant emissions from a building rooftop stack situated in the wake of a neighbouring tower using numerical simulation approach. The main objective of this work is to contribute to the "best-practice" of numerical modelling for dispersion studies. For that, wind tunnel tests as well as full-scale experiments are numerically reproduced to shed light on the uncertainties related to the complex dispersion phenomenon when using CFD simulations.

In the first study of this thesis, the behaviour of the flow and pollutant concentration fields around the two-building configuration are investigated by means of various k − �e turbulence models (i.e. standard, re-normalization group (RNG) and realizable k −� e models). The results show that the realizable k − �e model yields the best agreement with wind tunnel experimental data for lower stack height and smaller momentum ratio, while the RNG k −� e model performs best for taller stacks. Despite an overestimation of concentrations using the realizable k − e �model, it remains the only model that provides the correct trend of concentration distribution in the lower region between the two buildings. Based on this finding, the second study deals with the ability of CFD to simulate controlled (wind tunnel scale) and non-controlled (fullscale) environments using realizable k − e � model. This study details also the main steps for conducting consistent and reliable numerical simulations for dispersion studies. Additionally, CFD is shown to simulate better controlled environments than non-controlled environments.

The third study investigates the influence of two important parameters related to the pollutant exhaust source, i.e. stack height and pollutant exhaust velocity, on the concentration fields measured in the wind tunnel. The results show that increasing the stack height has an effect that is similar to increasing the pollutant exhaust velocity on the concentration distributions and that such effect depends upon the wall of the building under consideration. In addition,recommendations on fresh-air intake locations for the two buildings are provided. In the final study, an unsteady turbulence model (i.e. detached-eddy simulation) is tested to evaluate the flow-field and the dispersion field around the two-building configuration. The results show that the flow fluctuation capture is crucial to address better the dispersion in the wake of buildings. Consequently, the strengths of using an unsteady approach are compared to RANS methodology which provides however good results far from the exhaust source. The results of this extensive research support the use of an unsteady methodology in future works.

Résumé traduit

Le sujet de la pollution environnementale est d’une importance significative dans la couche limite atmosphérique, particulièrement dans les zones urbaines où elle est l’une des principales sources de la mauvaise qualité de l’air intérieur des habitations due à la contamination au niveau des prises d’air neuf. Dans les centres-villes où le niveau de la pollution de l’air extérieur est relativement élevé, on suppose généralement que la ventilation naturelle est incapable d’assurer une qualité d’air adéquate à l’intérieur des édifices. Par conséquent, les systèmes de ventilation mécaniques et d’air climatisé sont de plus en plus sollicités pour la "purification" de l’air introduit dans le bâtiment (Kukadia and Palmer, 1998). Il est évident que de tels systèmes n’arrivent pas toujours à produire de l’air propre à l’intérieur des édifices car plusieurs sources de pollution existent dans le voisinage extérieur (ex. gaz d’échappement des automobiles, émissions des cheminées de toit, poussières et débris transportés par le vent). Il est donc nécessaire de prendre en compte le contrôle de ces sources polluantes et la compréhension des mécanismes de dispersion en premier lieu afin d’évaluer correctement ces phénomènes nocifs.

Cette thèse porte sur la dispersion et le transport des émissions polluantes de cheminée de toit d’un immeuble situé dans le sillage d’une tour voisine obtenus à l’aide de la modélisation numérique. L’objectif principal de ce travail est d’apporter une contribution vers une meilleure modélisation numérique de la dispersion des polluants atmosphériques. Pour ce faire, des expériences menées en soufflerie et sur le terrain ont été numériquement reproduites pour mettre en évidence les incertitudes relatives à la modélisation numérique du phénomène de dispersion.

Dans la première étude de cet ouvrage, le comportement du champ de l’écoulement et du champ de concentration a été examiné autour du site considéré à l’aide de différents modèles de turbulence k − ���(c.-à-d. les modèles standard, re-normalization group (RNG) et realizable k − �). Les résultats montrent que le modèle realizable k − � donne de meilleurs résultats, comparés à ceux de la soufflerie, pour de petites hauteurs de cheminée et faibles vitesses d’émission du polluant. Le modèle RNG k − � performe mieux pour de grandes hauteurs de cheminée, quelle que soit la vitesse d’émission du polluant. Cependant, malgré la surestimation de la concentration par le modèle realizable k − �, ce dernier reste le seul capable de reproduirecorrectement l’évolution de la concentration dans la basse région entre les deux immeubles. Se basant sur ce résultat, la deuxième étude est consacrée à la capacité de la CFD à simuler un environnement contrôlé (essais de soufflerie) et non contrôlé (essais de terrain) à l’aide du modèle realizable k − �. Dans cette partie, les différentes étapes principales et nécessaires pour réaliser une étude numérique fiable et consistante de la dispersion sont détaillées. L’étude démontre que la CFD reproduit mieux un environnement contrôlé qu’un environnement non contrôlé.

La troisième étude de cet ouvrage examine l’influence de deux paramètres importants reliés à la source de pollution, c.-à-d. la hauteur de cheminée et de la vitesse d’émission du polluant, sur les concentrations mesurées dans une soufflerie. Les résultats indiquent que l’augmentation de la hauteur a un effet similaire à l’augmentation de la vitesse d’émission sur la distribution des concentrations et que la nature de ces effets dépend de la façade de l’immeuble considérée. Par la suite, des recommandations sur les emplacements des entrées d’air frais sont formulées. Dans la dernière étude, le modèle de turbulence instationnaire "detached-eddy simulation" est analysé pour évaluer le champ de l’écoulement et le champ de la dispersion. Les résultats révèlent que la capture des fluctuations de l’écoulement est cruciale pour mieux reproduire la dispersion dans la région du sillage des immeubles. Par conséquent, l’avantage de l’approche instationnaire est illustré comparé aux méthodes tationnaires RANS qui donnent toutefois de bons résultats loin de la source de pollution. Les résultats de cette vaste recherche suggèrent d’exploiter d’avantage la modélisation numérique instationnaire pour les futurs travaux de recherche.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 141-162.
Mots-clés libres:	Cheminées. Polluants atmosphériques. Dynamique des fluides Modèles mathématiques. Turbulence atmosphérique Modèles mathématiques. Écologie urbaine. atmosphérique, couche, des, limite, modélisation, numérique, RANS, émissions de cheminées de toit, modélisation de la dispersion, simulation numérique, hauteur de cheminée, modèle de turbulence "detached-eddy simulation" (DES), vitesse d’émission de polluant, environnement urbain.
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Masson, Christian
Codirecteur:	Codirecteur Bédard, Claude
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	06 janv. 2014 17:08
Dernière modification:	10 mars 2017 02:29
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1251

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