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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-88372
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8837/


Transient phenomena of scalar transport during accidental gas releases in urban environments

Transiente Phänomene des Transportes skalarer Größen bei der Ausbreitung störfallartig freigesetzter Gase in städtischer Umgebung

Berbekar, Eva

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SWD-Schlagwörter: Extremwert , Windkanal , Freisetzung , Störfall , Ausbreitung , Validierung , Dichte <Stochastik>
Freie Schlagwörter (Deutsch): geometrische Vereinfachung
Freie Schlagwörter (Englisch): geometry simplification
Basisklassifikation: 38.81
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Leitl, Bernd (Prof. Dr)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 27.01.2017
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 14.11.2017
Kurzfassung auf Englisch: Due to the urgency of the situation, in emergencies involving the release of airborne materials in built environments, simple atmospheric dispersion models with a negligible response time are frequently applied. State-of-the-art, high-resolution models are often not capable of the fast response demanded in case of accidental releases. This thesis improves the understanding of the dispersion phenomena in urban environments to help close this gap between theory and praxis.
To study the transient dispersion field in urban environments, boundary layer wind tunnel measurements were carried out. Based on the experimental results, essential questions related to gas dispersion in urban areas are investigated.
The new experimental data sets generated within the scope of this thesis are applicable for the validation of atmospheric dispersion models predicting the concentration field resulting from airborne hazardous materials in local-scale urban environments. Based on the data, a consistent set of characteristics describing transient dispersion are presented and their dimensionless forms are derived.
Gaussian plume models are based on the assumption that the mean concentration profiles follow Gaussian distribution. Although the Gaussian distribution provided sufficient fits on the measured mean concentration profiles, due to the parametrization of the turbulent flow field in local-scale urban environments, Gaussian models have difficulty to predict the concentration field. A strong relationship between the mean and the high percentiles of the concentration distributions was found. General probability density functions provided reasonable fits on the concentration distributions, and sufficiently predicted the higher order statistics based on the first two moments. This indicates that the higher percentiles of a concentration distribution can be determined based on the mean concentration with sufficient accuracy compared to the atmospheric dispersion modeling uncertainties.
The effect of modification and simplification of the building structure on the dispersion field was investigated based on systematic wind tunnel measurements. It was found that geometrical simplification of a larger area generally increased the measured concentration and decreased the characteristic times of dispersion. The modification of a building significantly larger in size than its surroundings had an evident effect on the results. When a building is reconstructed without significant geometrical changes or it is similar in size to its surroundings, the effects are negligible.
Kurzfassung auf Deutsch: Zur Bestimmung der lokalen Schadstoffkonzentration werden in Störfällen aufgrund der benötigten kurzen Reaktionszeiten einfache und schnelle Prognosemodelle verwendet. Komplexe Modelle mit höherer zeitlichen und räumlichen Auflösung können den Ersthelfern aufgrund der längeren Berechnungsdauer nicht die benötigten Erkenntnisse bereitstellen. Die vorliegende Arbeit soll das allgemeine Verständnis der urbanen Schadstoffausbreitung verbessern und den Stand der Forschung anwendungsorientiert übersetzen.
Auf Basis der für diese Arbeit durchgeführten Untersuchungen im Grenzschichtwindkanal konnten grundlegende Fragestellungen hinsichtlich der Gasausbreitung in Stadtgebieten beantwortet werden. Die experimentellen Datensätze wurden explizit für die Validierung numerischer Störfallmodelle im urbanen Raum erstellt. Basierend auf diesen Daten konnten Charakteristiken des Ausbreitungsverhaltens definiert und dimensionslose Parameter bestimmt werden.
Gaußfahnenmodelle basieren auf der Annahme, dass das mittlere Konzentrationsprofil dem einer Gauß-Verteilung entspricht. Die Analyse der Messdaten zeigt eine gute Annäherung der gemessenen Konzentrationsprofile an eine Normalverteilung, jedoch haben Gaußfahnenmodelle aufgrund der parametrischen Lösung des Strömungsfeldes Schwierigkeiten in der Bestimmung des Konzentrationsfelds.
Bei der Messwertanalyse konnte ein Zusammenhang zwischen dem Mittelwert und den oberen Perzentilwerten einer Konzentrationsverteilung gefunden werden. Allgemein zeigen Verteilungsfunktionen eine gute Anpassung an die gemessenen Konzentrationsprofile sowie eine gute Annäherung an die daraus bestimmten Momente höherer Ordnung. Dies beweist, dass gegenüber den Unsicherheiten in der numerischen Modellierung von Schadstoffausbreitungen die Berechnung der Perzentile einer Konzentrationsverteilung aus einem präzise bestimmten Mittelwert hinreichend genau ist.
Der Einfluss von Umstrukturierungen sowie Modellvereinfachungen auf das Ausbreitungs-verhalten wurde anhand systematischer Windkanalstudien untersucht. Großräumige oder an signifikanten Gebäuden ausgeführte Modellvereinfachungen zeigen starke Auswirkungen auf das lokale Konzentrationsfeld und dessen zeitliche Charakteristiken, der Einfluss kleinräumiger Veränderungen ist hingegen vernachlässigbar.

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