[論文レビュー] Dry deposition model for a microscale aerosol dispersion solver based on the moment method

Viktor Ší́p, Luděk Beneš|arXiv (Cornell University)|May 11, 2016

Particle Dynamics in Fluid Flows参考文献 36被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、マクロスケールエアロゾル拡散ソルバーに適したモーメント法を用いたドライ沈着モデルを開発し、ブラウン運動拡散、捕集、慣性衝突、乱流衝突、沈降の5つの沈着プロセスをサイズ依存の沈着速度式に統合した。このモデルはOpenFOAMに実装されており、41個のボックスを用いたセクショナル法と比較して約8倍の計算高速化を達成しながら、粒子径分布の正確さを維持している（第3モーメントの相対誤差 <10％）、都市のマイクロスケール大気質モデリングに実用的であることが示された。

ABSTRACT

A dry deposition model suitable for use in the moment method has been developed. Contributions from five main processes driving the deposition - Brownian diffusion, interception, impaction, turbulent impaction, and sedimentation - are included in the model. The deposition model was employed in the moment method solver implemented in the OpenFOAM framework. Applicability of the developed expression and the moment method solver was tested on two example problems of particle dispersion in the presence of a vegetation on small scales: a flow through a tree patch in 2D and a flow through a hedgerow in 3D. Comparison with the sectional method showed that the moment method using the developed deposition model is able to reproduce the shape of the particle size distribution well. The relative difference in terms of the third moment of the distribution was below 10\\% in both tested cases, and decreased away from the vegetation. Main source of this difference is a known overprediction of the impaction efficiency. When tested on the 3D test case, the moment method achieved approximately eightfold acceleration compared to the sectional method using 41 bins.

研究の動機と目的

• マイクロスケールエアロゾル拡散シミュレーションに適したモーメント法と併用可能なドライ沈着モデルの開発を目的とする。
• ブラウン運動拡散、捕集、慣性衝突、乱流衝突、沈降の5つの主要なドライ沈着プロセスを、モーメント法フレームワークに統合することを目的とする。
• 2次元および3次元の都市緑地シナリオにおいて、セクショナル法と比較して、本モデルの精度と計算効率を検証することを目的とする。
• 都市のマイクロスケール環境における緑地を伴う粒子径分布の時間的変化を効率的にシミュレート可能とする。

提案手法

• 粒子径のべき乗関数として沈着速度を表現することで、Petroffら（2008b）のドライ沈着モデルをモーメント法に適合させた。
• 粒子径分布を表すために、最初の3つのモーメント（M₀、M₁、M₂）の3つの連立偏微分方程式（PDE）を用いてモーメント法を定式化した。
• 2次元および3次元のマイクロスケール流れと拡散シミュレーションのため、OpenFOAMフレームワークを用いた有限体積法CFDソルバーに本モデルを実装した。
• 粒子径分布に対数正規分布を仮定することで、解析的なモーメント計算が可能になった。
• 5つの物理的プロセスごとに、粒子径のべき乗関数として表現された寄与を合算することで、沈着速度を計算した。
• 粒子数分布および体積分布を比較することで、41個のサイズボックスを用いたセクショナル法との妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5つの主要な沈着メカニズムを統合したドライ沈着モデルが、マイクロスケールエアロゾル拡散のモーメント法フレームワーク内に成功裏に構築可能か？
• RQ2 提案された沈着モデルを用いたモーメント法が、セクショナル法と比較して粒子径分布の形状をどの程度正確に再現できるか？
• RQ3 緑地を有する都市のマイクロスケール粒子拡散をシミュレートする際、モーメント法がセクショナル法に比べてどの程度の計算パフォーマンス向上を達成できるか？
• RQ4 慣性衝突効率の過大予測が、モーメント法のセクショナル法に対する精度に与える影響はいかほどか？
• RQ5 マイクロスケール都市大気質モデリングにおいて、モーメント法が計算コストを削減しつつ、どの程度の精度を維持できるか？

主な発見

• 開発された沈着モデルを用いたモーメント法は、セクショナル法と比較して第3モーメントの相対差が10％未満で、粒子径分布の形状を良好に再現した。
• 主な差異の原因は、モーメント法における慣性衝突効率の過大予測であり、これがより高い沈着速度を引き起こした。
• 3次元シミュレーションでは、緑地からの距離が増すにつれて第3モーメントの相対誤差が減少し、混合が十分に進んだ領域での精度向上が示された。
• モーメント法は、41個のボックスを用いたセクショナル法と比較して、約8倍の計算高速化を達成した（実行時間は1128秒対9120秒）。
• セクショナル法で5個のボックスを用いた計算負荷と同等の計算コストをモーメント法が達成できるが、この数では分布の正確な解像度が得られない。
• 粒子径分布が対数正規分布として近似できる場合には、本手法はマイクロスケール都市拡散モデリングに実用的であり、重ね合わせにより多峰性分布への応用も可能である。