Acciones de implementación

B3. Implementación de química reactiva y velocidad de depósito de NOx en un modelo CFD

Esta Acción fue desarrollada por la Unidad de Modelización de la Contaminación Atmosférica y Ecotoxicidad del Departamento de Medio Ambiente de CIEMAT.

Mediante un modelo de Mecánica de Fluidos Computacional (CFD, “Computational Fluid Dynamics”) se simuló la dispersión de contaminantes atmosféricos reactivos, el efecto de deposición del óxido de nitrógeno (NO) sobre superficies tratadas con materiales fotocatalíticos y, finalmente, se llevaron a cabo simulaciones sobre el escenario de Alcobendas para optimizar la localización de los puntos de monitoreo.

Esta Acción B3 se ha dividido en tres fases:

  • Fase I: Implementación de un mecanismo químico definido por un conjunto de reacciones y especies químicas en el modelo CFD
  • Fase II: Modelización del efecto fotocatalítico
  • Fase III: Simulación de flujos y contaminantes reactivos en el escenario urbano de Alcobendas

Fase I. Implementación de un mecanismo químico en el modelo CFD

El principal objetivo en esta primera fase fue la preparación del modelo CFD (“Computational Fluid Dynamics”) utilizado, STARCCM+, para simular la dispersión de contaminantes atmosféricos reactivos. Se realizó una puesta a punto del modelo CFD en escenarios urbanos idealizados para analizar con precisión la dispersión de contaminantes atmosféricos reactivos. Para evaluar el efecto de producción y eliminación debido a las reacciones químicas de los contaminantes (NO y NO2 en este caso), se tuvieron en cuenta diferentes aproximaciones a la química atmosférica: (a) Trazador pasivo (no reactivo), (b) Mecanismo químico fotoestacionario y (c) Mecanismo químico complejo (diseñado con CHEMATA (Kirchner 2005)).

En esta primera fase de puesta a punto con respecto a la introducción de reacciones químicas en el modelo CFD, se alcanzaron satisfactoriamente los objetivos propuestos.

  • Desarrollo de un mecanismo químico complejo capaz de reproducir de forma precisa las concentraciones de NO y NO2 (CHEMATA, Kirchner).
  • Verificación de los resultados obtenidos de la implementación del mecanismo químico complejo en un modelo CFD mediante la comparación con resultados de un modelo químico de caja (Kirchner).
  • Mediante el estudio de sensibilidad se concluyeron ciertos criterios que permitieron identificar el mecanismo químico más adecuado a emplear en grandes geometrías urbanas reales teniendo en cuenta las condiciones atmosféricas. En determinadas ocasiones un mecanismo químico simple puede proporcionar resultados similares a los de esquema químico más complejo pero con menores requisitos de cálculo. Además este estudio de sensibilidad permitió comprender mejor los procesos que se producen en la atmósfera y simplificar el número de escenarios a simular en los casos de calle reales donde el coste computacional es más alto.
Fase II. Modelización del efecto fotocatalítico

El efecto de depósito sobre superficies fotocatalíticas fue modelizado como un flujo negativo igual al producto de la concentración atmosférica cercana a la superficie por una velocidad de depósito (Vd) que depende del tipo de material fotocatalítico. Este flujo determina un término que se añade en la ecuación de transporte del NO (ya que solo se deposita NO) como un sumidero de concentración cerca de la superficie (Fdepósito=-[NO] Vd). La velocidad de depósito utilizada fue calculada mediante los valores medidos en los ensayos realizados en el laboratorio en condiciones controladas. En la Acción B2 se llevó a cabo un sistema experimental que permitió evaluar el efecto fotocatalítico en condiciones ambientales. Por lo tanto, el objetivo de esta fase fue modelizar la dispersión y el efecto del depósito del NO sobre la superficie fotocatalítica del sistema experimental de la Acción B2. Además, se estudió la influencia de la velocidad del viento y de la diferencia entre temperatura alcanzada por la superficie y la temperatura del aire, en el efecto de depósito del NO en presencia de material fotocatalítico.

Los objetivos propuestos para esta fase fueron alcanzados satisfactoriamente:

  • Implementación de la función de velocidad de depósito del NO en el modelo CFD reproduciendo de forma precisa el efecto de deposición cerca de la superficie fotocatalítica.
  • Evaluación de los resultados experimentales y simulados con una correlación superior a 0.6.

Fase III. Simulación de flujos y contaminantes reactivos en el escenario urbano de Alcobendas

Una vez evaluados estos dos aspectos, se realizó una simulación previa con el modelo CFD sobre el escenario urbano de Alcobendas para la elección de las localizaciones idóneas de las medidas experimentales. Esta simulación se realizó en el Paseo de la Chopera y sus alrededores.

Para ello se procedió a la modelización en detalle de la geometría 3D de los edificios y se simularon las condiciones meteorológicas predominantes (viento del suroeste) tomando unos valores de concentración de entrada de NO, NO2 y O3 similares a los medidos en la pre-campaña en un episodio (Acción B4). Para el cálculo de las emisiones se dispuso solamente del aforo de tráfico de algunas calles de la zona (Fuente: Ayuntamiento de Alcobendas). Para el resto de calles próximas a la zona se supuso que son similares a calles de las que se conoce su aforo.

Debido a que el propósito de esta simulación era elegir la mejor posición de las medidas en las próximas campañas, dadas las altas incertidumbres que se tenían en los datos de emisiones y teniendo en cuenta los resultados anteriores sobre los diferentes mecanismos químicos, se empleó el mecanismo fotoestacionario como primera aproximación para estimar la distribución de NO y NO2 en la zona del Paseo de la Chopera. Estos resultados proporcionaron una información adicional útil (zonas de máximos, de mínimos, etc.) para la optimizar la colocación de los aparatos de medida durante las próximas campañas.

En definitiva, se simuló la zona del Paseo de la Chopera (Alcobendas) en unas condiciones atmosféricas y de concentración predominantes según la pre-campaña realizada (Acción B4). Y se han obtenido unas distribuciones de NO y NO2 para estas condiciones que ayudan a poder optimizar la localización de los puntos de monitoreo.

Imagen real del ámbito de estudio en el Paseo de la Chopera para el desarrollo de la fase III: Simulación de flujos y contaminantes reactivos en el escenario urbano de Alcobendas Concentración de NO en ppb a 2.5m Concentración de NO2 en ppb a 2.5m