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 Nachfolgende Beitrag dreht sich dabei um den "Case A - high-rise building with a 2:1:1 shape".
Im Folgenden wird das beschriebene Szenario in RWIND2 nachgebildet und die Ergebnisse mit den simulierten und der experimentellen Resultate des AIJ 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 die parallel zu Höhenachse in der längs-Symmetrieebene in verschiedenen Abständen positioniert sind.
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 verwendeten die Software STREAM ver.2.10, im Rahmen dieses Beitrags wurde RWIND Pro 2.02 verwendet. Der Modellaufbau wurde in RWIND so gut es ging den Aufbau in STREAM angepasst.

Modellaufbau

Als Turbulenzmodell wurde Standard k–ε verwendet, dabei wurde eine stationäre Strömung angenommen. Die Anströmung erfolgt senkrecht, wegen Symmetrie ist dabei egal auf welche Fläche der x-z- oder y-z-Ebene. Abmessungen, Anströmgeschwindigkeit und Turbulenzverhalten wurden aus der originalen Publikation übernommen [1]. Nachfolgend ist die Strömungsgeschwindigkeit über die Höhe zusammengefasst.

Der Modellaufbau ist nachfolgend abgebildet.

01 Model Layout - AIJ Case Study: Single Building

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, da die exakten Werte hierfür nicht publiziert wurden.
Die Genauigkeit der extrahierten Punkte sollte aber dennoch hinreichend 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].
Nachfolgend wurde in jenes Diagramm die Ergebnisse der RWIND Simulation zur besseren Vergleichbarkeit eingetragen.

02 Longitudinal Velocity, Scaled by Position of Measuring Points over Building Height

Allgemein lässt sich beobachten, dass die Simulationsergebnisse aus RWIND besser mit dem Benchmark übereinstimmen als die 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 konsistent über verschiedene Netzdichten und Netzverdichtungen der Referenzsimulation überlegene Ergebnisse reproduziert werden.

Ledglich 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 konnte den Ausschlag der Strömungsgeschwindigkeit zwar verändern, aber nicht unbedingt verbessern. Eine weniger dichtere Vernetzung verbresserte die Übereinstimmung in geringer Höhe, verschlechterte diese 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-mesh" in RWIND zurückzuführen da eine Steigerung des Detailgrades oder die Verkleinerung der Elemente der Effekt reduziert werden konnte. Da im Referenzmodell der Körper direkt vernetzt wurde tritt der Effekt dort nicht auf. AUsmaß und Relevanz der Anomalie ist aber als gering zu bewerten, da die Experimentellen Daten trotzdem gut abgebildet wurden und der Effekt lokal stark begrenz ist.

In 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 konnte nicht ausgemacht werden, ein anderes Turbulenzmodell oder eine feiner aufgelöste Untersuchung wären potentielle Ansätze.

Zusätzlich wurden in der originalen Publikation die Strömungseschwindigkeiten in der x-y-Ebene in einer Höhe von z/b=1.25 also 0.1km ausgewertet.
Diese Untersuchung wurde auch in RWIND unternommen, auch hierfür wurde entlang von Geraden der Strömungstensor ausgewertet. Die folgende Abbildung zeigt die Position dieser Geraden. Die Abstände der Linien zueinander wurden dabei wieder aus den veröffentlichten Ergebnissen [2] entnommen und sind identisch zum Modellaufbau im Bild weiter oben.

03 Model Building from Above - AIJ Case Study: Single Building

Die Ergebnisse hiervon sind im folgenden Plot im selben Stile wie die Längsbetrachtung dargestellt. Die Farbgebung wurde kongruent gehalten.

04 Longitudinal speed, scaled by the position of the measuring points across the width of the building

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 anschaulicheren 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 werden an dieser Stelle die Falschfarbenbilder nicht Seite an Seite verglichen. Das Resultat ist nachfolgend abgebildet.

05 Flow Velocity Around Building - 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

Abschließend 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_e.htm
[2] https://markummitchell.github.io/engauge-digitizer/