Laboratoř aerodynamiky prostředí

Oddělení:   Oddělení D 1 – Dynamika tekutin
Vedoucí:   RNDr. Klára Jurčáková, Ph.D.

Proudění v přízemní vrstvě atmosféry je velmi turbulentní a těžko předvídatelné vzhledem k charakteru zemského povrchu. Předpověď šíření škodlivin, např. ve městech, je díky tomu velmi obtížná a liší se případ od případu. Jedním z hlavních cílů laboratoře je lépe porozumět vlivu turbulentního proudění na přenos škodlivin v takto komplikovaných podmínkách a najít obecné zákonitosti, které by pomohly k lepším předpovědím. Nedílnou součástí náplní laboratoře jsou i aplikované studie, ve kterých jsou poznatky ze základního výzkumu využity k řešení konkrétních praktických případů. Pro tyto cíle laboratoř využívá metody fyzikálního modelování v aerodynamickém tunelu. Metoda umožnuje detailně studovat výše zmíněné procesy za kontrolovatelných podmínek a nižších nákladů než tomu je v reálných podmínkách.

Vliv turbulence na přenos skaláru

Přestože turbulentní proudění na první pohled představuje chaotický a neuspořádaný pohyb molekul tekutiny (vzduchu), bylo nedávno prokázáno, že vykazuje jisté prvky uspořádanosti. Tyto prvky se v oblasti turbulentního výzkumu nazývají koherentní struktury a jsou např. reprezentovány různými vírovými strukturami, které mohou napomáhat k účinnějšímu přenosu pasivní látky (škodliviny) nebo tepla (obecně skaláru). Koherentní struktury však mohou, ale nemusí být okem pozorovatelné, a tak současný výzkum v této oblasti vyvíjí různé experimentální a matematické nástroje k jejich nalezení. Jedním z hlavních výzkumných záměrů laboratoře je pochopení role těchto struktur na přenos pasivního polutantu v turbulentním proudění a nalézt tak obecné platnosti pro predikce jeho přenosu. Jako ilustrativní příklad uvádíme výsledky projektu (LTC18070), ve kterém se laboratoř zabývala prouděním a rozptylem polutantu v přirozeně větraných zemědělských stavbách (jakými jsou např. kravíny).

 

Vid. 1.  Zachycení vývoje turbulentního proudového pole uvnitř modelu kravína metodou plošné laserové anemometrie s rychlou odezvou (TR-PIV) během 1 s. Frekvence snímání kamery odpovídá 200 Hz. Barevné kontury značí rychlost proudění v m/s.

 

Vid. 2. Dekompozice téhož proudění uvnitř modelu kravína metodou Oscillating Pattern Decomposition (OPD). Z videa jsou zřejmé koherentní struktury způsobené Kelvin-Helmholtzovou nestabilitou. Barevné kontury značí vířivost struktur v 1/s.

 

Řešené granty související s problematikou: GA18-09539S, GA15-18964S, GAP101/12/1554, LTC18070, IAA3040101

 

Publikace:

    • Nosek, Š., Kluková, Z., Jakubcová, M., Qianying, Y., Janke, D., Demeyer, P., Jaňour, Z. The impact of atmospheric boundary layer, opening configuration and presence of animals on the ventilation of a cattle barn. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2020, 201, 104185. ISSN 0167-6105. doi: 10.1016/j.jweia.2020.104185
    • Kellnerová, R., Fuka, V., Uruba, V., Jurčáková, K., Nosek, Š., Chaloupecká, H., Jaňour, Z. On Street-Canyon Flow Dynamics: Advanced Validation of LES by Time-Resolved PIV. Atmosphere. 2018, 9(5), 161. ISSN 2073-4433. doi: 10.3390/atmos9050161
    • Nosek, Š., Kukačka, L., Jurčáková, K., Kellnerová, R., Jaňour, Z. Impact of roof height non-uniformity on pollutant transport between a street canyon and intersections. Environmental Pollution. 2017, 227(August), 125-138. ISSN 0269-7491. doi: 10.1016/j.envpol.2017.03.073
    • Nosek, Š., Kukačka, L., Kellnerová, R., Jurčáková, K., Jaňour, Z. Ventilation Processes in a Three-Dimensional Street Canyon. Boundary Layer Meteorology. 2016, 159(2), 259-284. ISSN 0006-8314. doi: 10.1007/s10546-016-0132-2
    • Kellnerová, R., Kukačka, L., Jurčáková, K., Uruba, V., Jaňour, Z. PIV measurement of turbulent flow within a street canyon: Detection of coherent motion. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2012, 104(SI), 302-313. ISSN 0167-6105. doi: 10.1016/j.jweia.2012.02.017
    • Kukačka, L., Nosek, Š., Kellnerová, R., Jurčáková, K., Jaňour, Z. Wind Tunnel Measurement of Turbulent and Advective Scalar Fluxes: A Case Study on Intersection Ventilation. Scientific World Journal. 2012, 2012(381357), 1-13. ISSN 1537-744X. doi: 10.1100/2012/381357

 

Krátkodobé úniky polutantu do atmosféry

Další problematikou, kterou se laboratoř zabývá, jsou tzv. krátkodobé úniky (puffy) toxických plynných látek, s kterými se lze setkat např. při chemických haváriích nebo teroristických útocích. Vzhledem k okamžiku úniku plynu, který je vypuštěn do turbulentního proudění, je přesná předpověď šíření nebezpečné látky v komplikovaném prostředí (jakými jsou např. města) nemožná, a je potřeba se spoléhat na různé statistické charakteristiky. V rámci této problematiky laboratoř při řešení projektu TJ01000383 vyvinula nový rychlý havarijní model předpovídající situaci vzniklou po krátkodobém úniku plynu. Model je založen na vztazích mezi krátkodobými a dlouhodobými úniky plynu (viz obr. 1) a byl navrhnut pro potřeby Ministerstva vnitra České republiky pro každodenní využívání pohotovostních služeb - Centrum tísňového volání 112.

 

Obr. 3. Časové průběhy koncentrací změřených ve stejném bodě pro pět různých realizací za shodných průměrných podmínek experimentu.

Obr. 1. Časové průběhy koncentrací změřených ve stejném bodě pro pět různých realizací za shodných průměrných podmínek experimentu.

 

 Související projekty: TJ04000365, TJ01000383, LD12007

 

Publikace:

    • Chaloupecká, H., Jakubcová, M., Jaňour, Z., Jurčáková, K., Kellnerová, R. Equations of a new puff model for idealized urban canopy. Process Safety and Environmental Protection. 2019, 126(June), 382-392. ISSN 0957-5820. doi: 10.1016/j.jlp.2018.09.007
    • Chaloupecká, H., Jaňour, Z., Jurčáková, K., Kellnerová, R. Sensitivity of puff characteristics to maximum-concentration-based definition of departure time. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2018, 56(November), 242-253. ISSN 0950-4230. doi: 10.1016/j.jlp.2018.09.007
    • Chaloupecká, H., Jaňour, Z., Mikšovský, J., Jurčáková, K., Kellnerová, R. Evaluation of a new method for puff arrival time as assessed through wind tunnel modelling. Process Safety and Environmental Protection. 2017, 111 (October), 194-210. ISSN 0957-5820, doi: 10.1016/j.psep.2017.07.006

 

Aplikovaný výzkum

Poznatky získané ze základního výzkum jsou laboratoří aplikovány i na konkrétních praktických případech. Již od roku 2001 byly řešeny studie zabývající se znečištění ovzduší z továren, které se nacházely v blízkosti měst (Jablonné nad Orlicí, Příbram), nebo z automobilové dopravy (studie znečištění uličního kaňonu nacházející se v centrum města Hannnover, viz obr. 2). Dále byly, řešeny havarijní případy úniku chlóru z chemického závodu Synthesie a.s. a z vlakové cisterny na Pardubickém nádraží (obr. 3), nebo únik nebezpečného plynu na Staroměstském náměstí v Praze. S využitím fyzikálního modelování atmosférického proudění nad komplikovaným terénem bylo řešeno i šíření prašnosti z uhelného dolu Libouš, nacházejícího se nedaleko města Chomutov (obr. 4).

 

Obr. 2. Model uličního kaňonu města Hannover umístěného v aerodynamickém tunelu (vlevo) a naměřené koncentrace pasivního polutantu (barevné kontury na obrázku vpravo) v tomtéž modelu 3 m nad zemí pro vyšetřovaný směr větru (černá šipka).

 

 

Obr. 3. Model Pardubického nádraží (vlevo) a na něm naměřené koncentrace pasivního polutantu ve výšce terénu (uprostřed) a ve výšce 10 m nad terénem (vpravo) pro vyšetřovaný směr větru (modrá šipka).

 

 

Obr. 4. Změřený tok (červené kontury) pasivního polutantu unikající z bodového zdroje (červená šipka) nad modelem uhelného dolu Libouš z roku 2014 (vlevo) a při plánovaném odtěžení uhlí (vpravo). Oba případy byly simulovány pro západní směr větru.

 

Související projekty: TA01020428, OC 113, OC 723.002, OC 715.10

 

 Publikace:

  • Nosek, Š., Jaňour, Z., Fuka, V., Kukačka, L., Jurčáková, K., Kellnerová, R., Gulíková, E. Comparison Wind-Tunnel Experiment with Les Modelling of Atmospheric Dispersion over Complex Terrain. In: Mitto, T., Fallmann, J., Mikolajczyk, U, Suppan, P., Singh, V., Sokhi, R.S., eds. Proceedings of Abstracts 9th International Conference on Air Quality - Science and Application. Hatfield: University of Hertfordshire, 2014, s. 255-255. ISBN 978-1-909291-20-1.
  • Jaňour, Z., Jurčáková, K., Brych, K., Dittrt, F., Dittrich, F. Potential risks at an industrial site: A wind tunnel study. Process Safety and Environmental Protection. 2010, 88(3), 185-190. ISSN 0957-5820. doi: 10.1016/j.psep.2010.01.003
  • Klouda, K.; Bezpalcová, K. ; Jaňour, Z. Fyzikální modelování šíření nebezpečných látek na Staroměstském náměstí a v jeho okolí. In Nebezpečné látky 2006. Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2006. s. 61-75. ISBN 80-86634-91-4.
  • Bezpalcová, K., Leitl, B., Jaňour, Z. Wind tunnel modelling of flow and dispersion in the street canyon. In: Sokhi, R. S., Brechler, J., eds. International conference on Urban air quality, measurement, modelling and managment /4./. Velká Británie: University of Hertfordshire, 2003, s. 481-484. ISBN 07-50309-54-7.

Aerodynamický tunel (o průřezu 1,5×1,5 m a délce 30 m)

Plošná a bodová laserová anemometrie (Stereo TR-PIV a 2D LDA systém, Dantec Dynamics A/S)

Ionizační detektor s rychlou odezvou (Fast flame ionisation detector - FFID, Cambustion Ltd.)

 

 

Obr. 1. Měření PIV systémem v aerodynamickém tunelu.

 

 

Obr. 2. Měření LDA systémem nad modelem městské zástavby v aerodynamickém tunelu.

Témata doktorských studií se zaměřují především na studium procesů v atmosférické mezní vrstvě, které souvisejí s přenosem znečišťujících látek prouděním a difúzí. Během těchto studií jsou řešeny jak obecné zákony, tak jejich aplikace. Například větrání městských oblastí, hospodářských budov nebo povrchových lomů nebo přeprava náhodných nebo úmyslných úniků nebezpečných plynů ve složitém terénu. Používá se zejména metoda fyzického modelování v unikátním větrném tunelu, který na rozdíl od přírody poskytuje přesně definované experimentální podmínky. Měření ve větrném tunelu se provádí pomocí sofistikovaných metod (např. Laserové Dopplerovy anemometrie, rychlého ionizačního detektoru) a umožňuje doktorandům získat dovednosti v experimentální mechanice tekutin. Studenti také získají vhled do validace numerických modelů vyvinutých ve spolupráci s odborníky. Témata jsou většinou řešena v rámci projektů EU COST, grantů GAČR a TAČR a ve spolupráci se zahraničními univerzitami.

Přehled dokončených doktorských studií (školitel: prof. Zbyněk Jaňour):

  • RNDr. Klára Jurčáková, Ph.D. (2007) – Physical Modelling of Flow and Diffusion in Urban Canopy
  • Mgr. Radka Kellnerová, Ph.D. (2014) – Wind-tunnel Modelling of Turbulent Flow Inside the Street Canyon
  • RNDr. Ing. Libor Kukačka, Ph.D. (2018) – Urban Ventilation Dependence on Geometric Configuration
  • Mgr. Hana Chaloupecká, Ph.D. (2018) – Sudden release of toxic gas in built-up environment

Přehled běžících doktorských studií (školitel: prof. Zbyněk Jaňour):

  • Mgr. Zuzana Kluková (2016 –) – The influence of the roughness elements three-dimensionality on transfer of momentum and passive scalar in the surface layer of the atmosphere.

Pro nové uchazeče o doktorské studium budou témata vybírána podle aktuálně probíhajících projektů nebo grantů. Témata by proto měla spadat do zaměření laboratoře, jako je tok a difúze v městském baldachýnu různých konfigurací, přeprava a difúze náhodného nebo záměrného uvolňování nebezpečných plynů nebo studium turbulentních koherentních struktur. Školiteli nebo konzultanty budou mladší zaměstnanci laboratoře, většinou řešitelé odpovídajících grantů.

Seznam významných publikací

  • Yi, Q., Janke, D., Thormann, L., Zhang, G., Amon, B., Hempel, S., Nosek, Š., Hartung, E., Amon, T. Airflow Characteristics Downwind a Naturally Ventilated Pig Building with a Roofed Outdoor Exercise Yard and Implications on Pollutant Distribution. Applied Sciences-Basel. 2020, 10(14). ISSN 2076-3417. doi: 10.3390/app10144931
  • Nosek, Š., Kluková, Z., Jakubcová, M., Qianying, Y., Janke, D., Demeyer, P., Jaňour, Z. The impact of atmospheric boundary layer, opening configuration and presence of animals on the ventilation of a cattle barn. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2020, 201, 104185. ISSN 0167-6105. doi: 10.1016/j.jweia.2020.104185
  • Jaňour, Z. Modelování mezní vrstvy atmosféry. Praha: ACADEMIA, 2019. GERSTNER, 12. ISBN 978-80-200-2854-9.
  • Chaloupecká, H., Jakubcová, M., Jaňour, Z., Jurčáková, K., Kellnerová, R. Equations of a new puff model for idealized urban canopy. Process Safety and Environmental Protection. 2019, 126(June), 382-392. ISSN 0957-5820.
  • Chaloupecká, H., Jaňour, Z., Jurčáková, K., Kellnerová, R. Sensitivity of puff characteristics to maximum-concentration-based definition of departure time. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2018, 56(November), 242-253. ISSN 0950-4230. doi: 10.1016/j.jlp.2018.09.007
  • Nosek, Š., Fuka, V., Kukačka, L., Kluková, Z., Jaňour, Z. Street-canyon pollution with respect to urban-array complexity: The role of lateral and mean pollution fluxes. Building and Environment. 2018, 138(June), 221-234. ISSN 0360-1323. doi: 10.1016/j.buildenv.2018.04.036
  • Kellnerová, R., Fuka, V., Uruba, V., Jurčáková, K., Nosek, Š., Chaloupecká, H., Jaňour, Z. On Street-Canyon Flow Dynamics: Advanced Validation of LES by Time-Resolved PIV. Atmosphere. 2018, 9(5), 161. ISSN 2073-4433. doi: 10.3390/atmos9050161
  • Chaloupecká, H., Jaňour, Z., Mikšovský, J., Jurčáková, K., Kellnerová, R. Evaluation of a new method for puff arrival time as assessed through wind tunnel modelling. Process Safety and Environmental Protection. 2017, 111(October), 194-210. ISSN 0957-5820. doi: 10.1016/j.psep.2017.07.006
  • Nosek, Š., Kukačka, L., Jurčáková, K., Kellnerová, R., Jaňour, Z. Impact of roof height non-uniformity on pollutant transport between a street canyon and intersections. Environmental Pollution. 2017, 227(August), 125-138. ISSN 0269-7491. doi: 10.1016/j.envpol.2017.03.073
  • Nosek, Š., Kukačka, L., Kellnerová, R., Jurčáková, K., Jaňour, Z. Ventilation Processes in a Three-Dimensional Street Canyon. Boundary Layer Meteorology. 2016, 159(2), 259-284. ISSN 0006-8314. doi: 10.1007/s10546-016-0132-2
  • Kukačka, L., Nosek, Š., Kellnerová, R., Jurčáková, K., Jaňour, Z. Wind Tunnel Measurement of Turbulent and Advective Scalar Fluxes: A Case Study on Intersection Ventilation. Scientific World Journal. 2012, 2012(381357), 1-13. ISSN 1537-744X. doi: 10.1100/2012/381357
  • Kellnerová, R., Kukačka, L., Jurčáková, K., Uruba, V., Jaňour, Z. PIV measurement of turbulent flow within a street canyon: Detection of coherent motion. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2012, 104(SI), 302-313. ISSN 0167-6105. doi: 10.1016/j.jweia.2012.02.017
  • Kellnerová, R., Jaňour, Z. Flow instabilities within an urban intersection. International Journal of Environment and Pollution. 2011, 47(1-4), 268-277. ISSN 0957-4352
  • Yassin, M.F., Kellnerová, R., Jaňour, Z. Experimental simulation on vehicle emission dispersion in urban street intersections. Kuwait Journal of Science & Engineering. 2009, 36(2B), 13-31. ISSN 1024-8684
  • Matějíček, L., Engst, P., Jaňour, Z. A GIS-based approach to spatio-temporal analysis of environmental pollution in urban areas: A case study of Prague's environment extended by LIDAR data. Ecological Modelling. 2006, 199(3), 261-277. ISSN 0304-3800doi: 10.1016/j.ecolmodel.2006.05.018
  • Jaňour, Z., Jurčáková, K., Brych, K., Dittrt, F., Dittrich, F. Potential risks at an industrial site: A wind tunnel study. Process Safety and Environmental Protection. 2010, 88(3), 185-190. ISSN 0957-5820. doi: 10.1016/j.psep.2010.01.003
  • Yassin, M. F., Kellnerová, R., Jaňour, Z. Numerical simulation on pollutant dispersion from vehicle exhaust in street configurations. Environmental Monitoring and Assessment. 2009, 156(1-4), 257-273. ISSN 0167-6369. doi: 10.1007/s10661-008-0482-4
  • Zelinger, Z., Střižík, M., Kubát, P., Civiš, S., Grigorová, E., Janečková, R., Zavila, O., Nevrlý, V., Herecová, L., Bailleux, S., Horká-Zelenková, V., Ferus, M., Skříňský, J., Kozubková, M., Drábková, S., Jaňour, Z. Dispersion of Light and Heavy Pollutants in Urban Scale Models: CO2 Laser Photoacoustic Studies. Applied Spectroscopy. 2009, 63(4), 430-436. ISSN 0003-7028.
  • Yassin, M.F., Kellnerová, R., Jaňour, Z. Impact of street intersections on air quality in an urban environment. Atmospheric Environment. 2008, 42(20), 4948-4963. ISSN 1352-2310. doi: 10.1016/j.atmosenv.2008.02.019
  • Matějíček, L., Jaňour, Z., Beneš, L., Bodnár, T., Gulíková, E. Spatio-temporal modelling of dust transport over surface mining areas and neighbouring residential zones. Sensors. 2008, 8(6), 3830-3847. ISSN 1424-8220. doi: 10.3390/s8063830
  • Bezpalcová, K., Jaňour, Z., Prior, V., Soriano, C., Strizik, M. On the wind velocity profiles over urban area. International Journal of Environment and Pollution. 2003, 20(1), 196-206. ISSN 0957-4352
  • Civiš, S., Střižík, M., Jaňour, Z., Holpuch, J., Zelinger, Z. Wind Tunnel Simulation of Air Pollution Dispersion in a Street Canyon. Journal of Aoac International. 2002, 85(1), 243-248. ISSN 1060-3271
  • Zelinger, Z., Civiš, S., Jaňour, Z. Laser Photoacoustic Spectrometry and its Application for Simulation of Air Pollution in a Wind Tunnel. Analyst. 1999, 124(8), 1205-1208. ISSN 0003-2654
  • Zelinger, Z., Střižík, M., Kubát, P., Jaňour, Z., Berger, P., Černý, A., Engst, P. Laser Remote Sensing and Photoacoustic Spectrometry Applied in Air Pollution Investigation. Optics and Lasers in Engineering. 2004, 42(-), 403-412. ISSN 0143-8166
  • Zelinger, Z., Střižík, M., Kubát, P., Lang, K., Bezpalcová, K., Jaňour, Z. Model and real pollutant dispersion: concentration studies by conventional analytics and by laser spectrometry. International Journal of Environmental Analytical Chemistry. 2006, 86(12), 889-903. ISSN 0306-7319