AIJ Beispiele Fall A - einzelnes hohes Gebäude in der Form 2:1:1

Einführung

Das Architectural Institute of Japan (AIJ) hat eine Reihe an bekannten Benchmark-Szenarien für Windsimulation vorgestellt.
Der Nache Beitrag dreht sich dabei um den "Fall A - Hochhaus mit 2:1:1 Form".
Im Folgenden wird das beschriebene Szenario in RWIND2 nachgebildet und mit den experimentellen Ergebnissen des AIJvergleichs verglichen.

Der Case A beschreibt ein simples quaderförmiges Gebäude, dass. doppelt so hoch wie breit und tief ist.

Die Strömungsgeschwindigkeit wurde dabei in der Simulation entlang mehrerer Geraden ausgewertet.
Im Experiment des AIJ wurde ein entsprechendes Modell in einem Windkanal aufgebaut und die Windgeschwindigkeit mittels gespaltener Fasersonden an Punkten entlang der angesprochenen Geraden gemessen.
Die Autoren verwendet die Software STREAM ver.2.10, im Rahmen dieses Beitrags wurde RWIND Pro 2.02 verwendet. Der Modellaufbau wurde in RWIND also gut es ging den Aufbau in STREAM angepasst.

Modellaufbau

Als Turbulenzmodell wurde Standard k–ε verwendet. Die Anströmung erfolgt senkrecht, wegen Symmetrie ist dabei egal auf welche Fläche der xz- oder yz-Ebene. Abmessungen, Anströmgeschwindigkeit und Turbulenzverhalten wurden aus der ursprünglichen Publikation übernommen [1]. Nachfolgend ist die Strömungsgeschwindigkeit über die Höhe zusammengefasst.

Der Modellaufbau ist nachfolgend abgebildet.

01 Modellaufbau - AIJ Fallstudie: einzelnes Gebäude

Die experimentellen Ergebnisse des AIJs wurden auf deren Website zur Verfügung gestellt [1].
Die Dargestellten Daten der AIJ-Simulation wurden mit dem Tool ENGAUGE Digitizer [2] aus den Plots der Publikation [1] ermittelt.
Die Genauigkeit der extrahierten Punkte sollte aber dennoch genau (im Bereich +- 0,5%) und demnach gut vergleichbar sein.

Ergebnisse und Diskussion

Als Visualisierung der Strömungsgeschwindigkeit entlang der Auswertungskurven wurde der Plot der originalen Publikation nachgestellt [1].
Zuletzt wurde in jenes Diagramm die Ergebnisse der RWIND Simulation zur besseren Vergleichbarkeit eingetragen.

02 Längsgeschwindigkeit, skaliert um die Position der Messpunkte über die Höhe des Gebäudes

Allgemein lässt sich beobachten, dass die Simulationsergebnisse aus RWIND besser mit dem Benchmark übereinstimmen als sterben Referenzsimulation je weiter sich der jeweilige Messpunkt vom Probekörper entfernt befindet. Ersichtlich ist das in der 8ten und 9ten Auswertungsgerade von links.

Auch entlang der 5ten AUswertungsgerade konnte über verschiedene Netzdichten und Netzverdichtungen der Referenzsimulation geprüft werden, welche Ergebnisse reproduziert werden.

Nur in den Bereichen von 0 bis etwa 50% der Gebäudehöhe ist in RWIND eine starke Abweichung entlang der 6ten und 7tem Auswertungserade von Links zu beobachten. Eine abgewandelte Netzverdichtung um diesen Bereich den Ausschlag der Strömungsgeschwindigkeit zwar zu ändern, aber nicht unbedingt zu verbessern. Eine weniger dichtere Vernetzung verbresserte Übereinstimmung in geringerer Höhe, verschlechtern this aber in mittlerer und hoher Höhe.

Außerdem steigt die Strömungsgeschwindigkeit an parallel umströhmten Seiten wesentlich steiler anzusteigen als in der Referenzsimulation. Dieser Unterschied ist vermutlich auf das "shrink-wrap-h" in RWIND zurückzuführen, da eine Steigerung des Detailgrades oder die Verkleinerung der Elemente der Wirkung reduziert werden konnte. Da im Referenzmodell der Körper direkt vernetzt wurde tritt der Effekt dort nicht auf. AUsmaß und Relevanz der Anomalie ist aber gering zu bewerten, da sterben Experimentellen Daten trotzdem gut abgebildet wurden und der Effekt lokal stark begrenz ist.

In der Summe sind die Ergebnisse für den Druckbereich als sehr gut zu bewerten. Im starken Sogbereich zeigen sich hingegen Schwächen auf. Denn noch zeigt auch der Sogbereich, gerade in größerer Entfernung zum Gebäude eine sehr gute Übereinstimmung mit dem experimentellen Benchmark.

Ein konkreter Grund für den deutlichen Unterschied könnte nicht ausgemacht werden, ein anderes Turbulenzmodell oder eine feiner aufgelöste Untersuchung wären potentielle Ansätze.

Zusätzlich wurden in der originalen Publikation die Strömungseschwindigkeiten in der xy-Ebene in einer Höhe von z/b=1,25 auch 0.1km ausgewertet.
Diese Untersuchung wurde auch in RWIND durchgeführt. Die folgende Abbildung zeigt die Position dieser Geraden. Die Abstände der Linien wurden dabei wieder aus den veröffentlichten Ergebnissen [2] entnommen und sind identisch zum Modellaufbau im Bild weiter oben.

03 Modellaufbau von oben - AIJ Fallstudie: einzelnes Gebäude

Die Ergebnisse sind hiervon im following Plot im selben Stil wie sterben Längsbetrachtung dargestellt. Die Farbgebung wurde kongruent gehalten.

04 Längsgeschwindigkeit, skaliert um die Position der Messpunkte über die Breite des Gebäudes

Die oberseitige Betrachtung bestätigt die längsseitige Betrachtung. Die Ergebnisse der RWIND Simulation korrelieren gut mit dem experimentellen Benchmark und der CFD-Simulation. Außer der oben beschriebenen Beobachtung bezüglich parallel umströmten Flächen, zeigen sich keine relevanten Schwächen der Simulation in RWIND.

Für einen anschaulichen Vergleich der Referenzsimulation mit den RWIND-Ergebnissen bietet sich eine Betrachtung der Strömungsgeschwindigkeiten als Flaschfarbenbild an. Der betrachtete Ausschnitt um das Gebäude wurde dem der Autoren angepasst [1].Aus Urheberrechtsgründen an dieser Stelle sterben Falschfarbenbilder nicht Seite an Seite. Das Ergebnis ist nachfolgend abgebildet.

05 Strömungsgeschwindigkeit um das Gebäude - AIJ Case A

Auch hier zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung mit der Literatursimulation. Die auftretenden Abweichungen ergeben sich ausschließlich im bereits thematisierten Sogbereich.

Zusammenfassung

Voraussichtlich bleibt festzuhalten, dass eine sehr gute Übereinstimmung von RWIND Simulation und STREAM-Simulation der Literatur sowie des zugrundeliegenden Experiments herrscht. Im Druckbereich trifft RWIND das Experiment tendenziell besser, wogegen im Sogbereich STREAM das Experiment besser abbilden kann.

[1] https://www.aij.or.jp/jpn/publish/cfdguide/index_d.htm
[2] https://markummitchell.github.io/engauge-digitizer/