D3. Rauheit

Bei der CFD-Simulation von Gebäudeströmungen müssen zwei verschiedene Arten von Grenzschichten berücksichtigt werden.

• Die atmosphärische Grenzschicht als Anströmbedingung.
• Lokale Grenzschichten auf Volumenkörper-Oberflächen, die häufig durch Wandfunktionen modelliert werden.

Wenn die Strömung nicht direkt an der Strukturoberfläche aufgelöst wird, werden Wandgesetze angewendet, die spezifische Anforderungen an die Oberflächendiskretisierung stellen. Die Anwendung von Wandgesetzen in Trennbereichen sollte kritisch geprüft werden.
Obwohl beide Grenzschichttypen auf dem universellen logarithmischen Wandgesetz basieren, verwenden sie unterschiedliche Parameter zur Beschreibung der Oberflächenrauheit:

• Die atmosphärische Grenzschicht verwendet die implizite Rauheitslänge z₀.
• Wandfunktionen verwenden in der Regel die explizite äquivalente Sandkornrauheit k_s.

Diese Rauheitsparameter stammen aus unterschiedlichen Perspektiven und haben unterschiedliche Größenordnungen (k_s : 0,9 bis 60 m; z₀:0,01 bis 1 m). Eine direkte Äquivalenz ist daher nicht zulässig.
Um die Geländerauheit in Wandfunktionen anzuwenden, muss z₀ in k_s umgewandelt werden. Je nach Implementierung gilt eine Näherung: k_s≈20⋅z₀ bis 30⋅z₀ (gemäß Schlichting und Blocken).
Diese Unterscheidung ist entscheidend für die korrekte Modellierung von Grenzschichten in CFD-Simulationen von Gebäudeströmungen.