Desenvolupament de mètodes de predicció de soroll i anàlisi de l'impacte acústic produït pel trànsit viari i el ferrocarril en la ciutat de Girona

La feina feta en aquest treball de tesis s'ha desenvolupat a partir de tres objectius vertebradors, que fonamentalment són: ·El primer dels objectius d'aquest treball de tesis és presentar un recull dels factors que intervenen en l'acústica urbanística: soroll produït pels diferents vehicles, fórmules de predicció de soroll, geometria dels edificis... , tot estudiant els seus efectes en la ciutat de Girona. ·Un altre objectiu ha estat desenvolupar uns mètodes numèrics propis, contrastats experimentalment i extrapolables a qualsevol entorn urbanístic, que permetin predir els valors de les pertorbacions acústiques produïdes pels diferents vehicles en diferents situacions, entre els que es destaquen: -Fórmula de predicció del soroll en un entorn urbà i la seva aplicació a Girona. -Càlcul de l'increment de soroll en un carrer provocat per les reflexions de les ones sonores en les façanes dels edificis. -Estudi del nivell de soroll en la boca de la cavitat d'un túnel produït pel pas del ferrocarril. -Determinació del soroll provocat pel pas d'un tren sobre un viaducte. -Mètode de distribució i planificació del trànsit urbà per disminuir l'impacte acústic sobre la zona. ·El darrer objectiu consisteix en fer una descripció analítica de les principals fonts de soroll que afecten a la ciutat: el trànsit viari i el ferrocarril. Per realitzar aquests objectius s'ha disposat d'un banc de dades amb més de 2.000 mesures sonores de Girona (nivells equivalents de 10 minuts de durada). La metodologia seguida i els principis en que es fonamenta es detallen a l'inici de cada apartat. La finalitat de tots aquests estudis, no és altre que millorar el confort acústic, i la qualitat de vida, de les ciutats. Gairebé tots els grans nuclis de població del planeta es veuen afectats per una gravíssima problemàtica mediambiental, doncs a l'anomenada contaminació acústica cal afegir uns alts índexs de pol·lució atmosfèrica (altes concentracions de biòxid de carboni, generació d'illes de calor...). Aquesta situació, generalitzada arreu del planeta, ha propiciat l'aparició de mesures dràstiques consistents fonamentalment en restringir l'accés dels vehicles motoritzats als nuclis i zones centrals de les àrees urbanes. Precisament aquesta opció s'ha proposat per les zones interiors de Girona on l'elevada densitat de les edificacions deixa un escàs marge per plantejar la construcció de noves rutes o vies alternatives. Cal esmentar que tots els càlculs i teories que es desenvolupen en aquest treball de tesis reflecteixen la realitat acústica actual provocada pels diferents mitjans de transport. Molt possiblement, en un futur no massa llunyà, els nivells de soroll (dB) enregistrats en situacions de tràfic similar seran força menors. Són molts els factors que poden contribuir a aquesta disminució de la intensitat de les emissions sonores: reducció del fregament mecànic, augment del coeficient aerodinàmic, nous materials pels pneumàtics i l'asfalt ... Sense cap mena de dubte, però, una millora transcendental, i no només pel que fa al confort acústic sinó per l'ecosistema en general, seria potenciar la construcció de motors elèctrics o d'hidrogen. Aquests últims per exemple, a diferència dels motors de combustió, funcionen mitjançant piles de combustible que converteixen, amb molta netedat, el gas hidrogen en electricitat i possibiliten l'existència de vehicles no contaminants propulsats per motors elèctrics menys sorollosos. Així, al haver-hi menys fregament entre les parts mòbils del motor (no hi ha pistons ni cilindres) el soroll generat es reduiria considerablement.

A high-order arbitrarily unstructured finite-volume model of the global atmosphere: tests solving the shallow-water equations

Simulations of the global atmosphere for weather and climate forecasting require fast and accurate solutions and so operational models use high-order finite differences on regular structured grids. This precludes the use of local refinement; techniques allowing local refinement are either expensive (eg. high-order finite element techniques) or have reduced accuracy at changes in resolution (eg. unstructured finite-volume with linear differencing). We present solutions of the shallow-water equations for westerly flow over a mid-latitude mountain from a finite-volume model written using OpenFOAM. A second/third-order accurate differencing scheme is applied on arbitrarily unstructured meshes made up of various shapes and refinement patterns. The results are as accurate as equivalent resolution spectral methods. Using lower order differencing reduces accuracy at a refinement pattern which allows errors from refinement of the mountain to accumulate and reduces the global accuracy over a 15 day simulation. We have therefore introduced a scheme which fits a 2D cubic polynomial approximately on a stencil around each cell. Using this scheme means that refinement of the mountain improves the accuracy after a 15 day simulation. This is a more severe test of local mesh refinement for global simulations than has been presented but a realistic test if these techniques are to be used operationally. These efficient, high-order schemes may make it possible for local mesh refinement to be used by weather and climate forecast models.

A cell by cell anisotropic adaptive mesh ALE method

A cell by cell anisotropic adaptive mesh Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) method for the solution of the Euler equations is described. An efficient approach to equipotential mesh relaxation on anisotropically refined meshes is developed. Results for two test problems are presented.

Correlated observation errors in data assimilation

Data assimilation provides techniques for combining observations and prior model forecasts to create initial conditions for numerical weather prediction (NWP). The relative weighting assigned to each observation in the analysis is determined by its associated error. Remote sensing data usually has correlated errors, but the correlations are typically ignored in NWP. Here, we describe three approaches to the treatment of observation error correlations. For an idealized data set, the information content under each simplified assumption is compared with that under correct correlation specification. Treating the errors as uncorrelated results in a significant loss of information. However, retention of an approximated correlation gives clear benefits.

Impact of mass lumping on gravity and Rossby waves in 2D finite-element shallow-water models

The goal of this study is to evaluate the effect of mass lumping on the dispersion properties of four finite-element velocity/surface-elevation pairs that are used to approximate the linear shallow-water equations. For each pair, the dispersion relation, obtained using the mass lumping technique, is computed and analysed for both gravity and Rossby waves. The dispersion relations are compared with those obtained for the consistent schemes (without lumping) and the continuous case. The P0-P1, RT0 and P-P1 pairs are shown to preserve good dispersive properties when the mass matrix is lumped. Test problems to simulate fast gravity and slow Rossby waves are in good agreement with the analytical results.