Entwicklung und Validierung eines Ausbreitungsmodells für Aerosole und Untersuchungen zu deren Koagulation als potentieller Einflußquelle

Abstract

Das vorliegende Promotionsprojekt baut auf einem in einer gemeinsamen Arbeitsgruppe von Physikalischem Institut und Institut für Landtechnik neu entwickelten dynamischen Modell auf Basis der Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen auf diskreten Raumpunkten auf, dass zur Vorhersage der Ausbreitung von Gerüchen entwickelt und erfolgreich validiert worden war. Ziel dieser Arbeit ist es also, dieses Modell in einem nächsten Schritt auf die Simulation der Ausbreitung von Aerosolen aus diversen Quellen zu erweitern.<br /> Hierbei müssen verschiedene physikalische Effekte während der Transmission der Partikel wie die Sedimentation, Diffusion, Deposition und Resuspension sowie die Koagulation berücksichtigt werden. In dieser Arbeit wurde vorab das Koagulationsverhalten der Aerosolpartikel untersucht, um eine Aussage über die Relevanz des Effektes bei der Aerosolausbreitung im Freilandbereich treffen zu können. Hierzu wurde eine Aerosolversuchskammer aufgebaut. Mit deren Hilfe war es möglich, die Koagulationskoeffizienten von Aerosolpartikeln mit einem Durchmesser im Bereich von 2,5 -25,0 µm zu bestimmen. Es wurden verschiedene Kalibrierstäube sowie bedingt durch die Kooperation mit dem Institut für Landtechnik Aerosole aus Tierhaltungsanlagen untersucht und es konnte gezeigt werden, dass die Koagulationsraten so gering sind, dass die Koagulation aufgrund der geringen Partikelanzahlkonzentrationen im Freilandbereich vernachlässigt werden kann. <br /> Im Anschluss wurde das Ausbreitungsmodell STAR3D (Simulated Transmission of Aerosols 3D) entwickelt. Dieses basiert darauf, dass das der Ausbreitung zugrundeliegende Windfeld durch die numerische Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen mit dem gemessenen Windfeld als Randbedingung berechnet wird. Darauf aufbauend werden die Trajektorien der Aerosolpartikel ermittelt. Hierzu wird die Langevin-Gleichung unter Berücksichtigung der Sedimentation und Diffusion der Partikel eingesetzt. Ebenso wird das Anhaften der Aerosolpartikel an im Simulationsgebiet befindlichen Hindernissen berücksichtigt.<br /> STAR3D wurde in zwei Freilandmessungen validiert. Hierzu wurde ein Traceraerosol aus einer Emissionsquelle freigesetzt und an bis zu zwölf Messstellen über einen Zeitraum von einer Stunde die deponierte Partikelanzahl aufgezeichnet. Anschließend erfolgte die Simulation das Transmissionsgeschehen mit STAR3D, so dass die Ergebnisse der Simulation mit den Ergebnissen der Messung verglichen werden konnten. Die erste Freilandmessung diente der Prüfung und Optimierung des gesamten Systems. Anhand der zweiten Messung konnte STAR3D erfolgreich validiert werden. Dabei wurde eine mittlere Abweichung von 24 Prozent zwischen simuliertem und gemessenem Wert erzielt. <br /> In einem sich an diese Arbeit anschließendem Schritt soll die Ausbreitungsmodellierung durch die Einbeziehung der quelleninternen Feinstruktur (Innnenraumverteilungen der Quellen in horizontaler und vertikaler Abhängigkeit) und der Koagulationseffekte weiter verfeinert werden.