Ejemplos de AIJ caso D - edificio alto en medio de edificios más pequeños

Introducción

El Instituto de Arquitectura de Japón (AIJ) ha presentado una serie de escenarios de referencia conocidos de simulación de viento.
El siguiente artículo trata sobre el "Caso D - Edificio de gran altura entre manzanas de la ciudad".
En el siguiente texto, el escenario descrito se simula en RWIND 2 y los resultados se comparan con los resultados simulados y experimentales por AIJ.

Disposición del modelo

El caso D describe un edificio ortogonal simple con una base cuadrada y cuatro veces la altura, rodeado por bloques de apartamentos más pequeños que también son ortogonales.
Estos bloques de apartamentos también tienen una superficie rectangular, pero más grande, sin embargo, con solo una décima parte de la altura del edificio grande.
El gran edificio central está rodeado por bloques de apartamentos más pequeños en un patrón regular.
Las dimensiones exactas, la velocidad del flujo y el comportamiento de la turbulencia se tomaron de la publicación original [1].
La distribución de la velocidad del flujo sobre la altura se muestra a continuación.

La velocidad del flujo se evaluó en la simulación en algunos puntos de baja altitud.
En el experimento AIJ, se estableció un modelo correspondiente en un túnel de viento y se midió la velocidad del viento en los puntos mencionados utilizando sondas de fibra dividida.

El estándar k–ε se utilizó como modelo de turbulencia, asumiendo un flujo estacionario.
La estructura del modelo con respecto a las dimensiones de la geometría se muestra a continuación. La altura de los edificios pequeños es similar a la figura 0.25, mientras que el edificio central individual es 2.5.

Disposición del modelo - Estudio de caso de AIJ: edificio alto rodeado de bloques de casas

Configuración del modelo 1 - Caso D de AIJ

Configuración del modelo 2 - Caso D de AIJ

La posición de los puntos de medición se resume en la siguiente tabla. El origen se entiende en el suelo de la ciudad en el centro de gravedad de la base del edificio central. Todos los puntos de medición están a una altura de 0,05.

Los resultados experimentales del AIJ se publicaron en su sitio web [1]. Los datos mostrados de la simulación AIJ se determinaron utilizando la herramienta ENGAUGE Digitizer [2] a partir de los gráficos de la publicación [1], ya que los valores exactos para esto no se publicaron.
Sin embargo, la precisión de los puntos extraídos debería ser lo suficientemente precisa (en el intervalo de +-0,5 %) y, por lo tanto, fácilmente comparable.

En el experimento de referencia, no se evaluaron algunos puntos, pero se determinaron en la simulación. Para evitar tener que excluir completamente estos puntos de la evaluación, se asumió que el experimento y la simulación de la literatura arrojan resultados idénticos para estos puntos. Para las siguientes comparaciones, los resultados de la simulación de la literatura están incluso sobreestimados.

Otro factor importante que influye es la configuración de "Capas de contorno", que aumenta significativamente la densidad de la malla alrededor de la condición de contorno inferior (suelo). En general, el mallado cercano al suelo influye en los resultados en esta región más de lo que sería el caso con una mayor distancia al suelo, porque la condición de contorno del suelo tiene una fuerte influencia. Debido a la geometría bastante compleja de la ciudad, se activó la configuración mencionada anteriormente y se estableció el número de capas adicionales ("NL") en 10.

Para este artículo se utilizó RWIND Pro 2.02. La estructura del modelo en RWIND se adaptó lo más cerca posible a la estructura del CFD de referencia.

Resultados y discusión

La representación de los puntos de medición posicionados tridimensionalmente mediante una numeración unidimensional simple puede ser difícil de interpretar. Por lo tanto, a continuación se muestran las comparaciones directas del experimento (eje x) y la simulación (eje y) para todos los puntos de medición. Cuanto más cerca esté un punto de medición de la línea diagonal y=x, mayor será la correlación entre la simulación y el experimento. A continuación, hay dos de los modelos de elementos altos de RWIND mejor combinados junto con el punto de referencia de la literatura.

Correlación de las simulaciones con el experimento Benchmark y simulaciones en RWIND con un número elevado de elementos

Es visible a primera vista que los resultados de los puntos de medición individuales se distribuyen de manera más homogénea alrededor de los resultados experimentales. Mientras que la simulación de la literatura casi siempre sobreestima la velocidad del flujo, RWIND muestra a veces resultados más bajos, a veces más altos.

La desviación cuadrática media (MSD) se utilizó como criterio de comparación, pero una comparación de los coeficientes de determinación también mostraría el mismo comportamiento, por ejemplo. Se prefirió la desviación cuadrática media al coeficiente de determinación porque la relación entre la velocidad del flujo experimental y simulada no representa una regresión y, por lo tanto, solo sería una especie de ponderación de las desviaciones individuales y no una bondad de ajuste. El MSD es geométricamente más fácil de interpretar con la misma expresividad.

El criterio de comparación MSD confirma la presunción de la primera observación. Ambos modelos con la alta resolución de malla, pero diferentes modelos de turbulencia, cumplen muy bien con el punto de referencia experimental. El modelo k-épsilon es incluso mejor que la publicación, mientras que el modelo k-omega le sigue de cerca.

Sin embargo, no se debe olvidar que varios puntos para el punto de referencia de la literatura se asumieron artificialmente como defectuosos.
Si estos puntos se calculan para MSD, ambos modelos de RWIND muestran un error menor que el punto de referencia.

Es aconsejable observar más de cerca la influencia de la densidad de la malla. A continuación, se comparan las mallas de diferentes densidades con una estructura de modelo idéntica y un modelo de turbulencia RAS k-épsilon con el punto de referencia de la literatura. Los resultados se muestran a continuación.

Correlación de las simulaciones con el experimento Simulaciones de referencia y RWIND k-épsilon con diferentes números de elementos

También se realizó un estudio de convergencia de malla para el modelo de turbulencia k-omega y las mismas formaciones de malla. Los resultados se muestran a continuación.

Correlación de las simulaciones con el experimento Simulaciones de referencia y RWIND k-omega con diferentes números de elementos

Mientras que el modelo de turbulencia RAS k-épsilon puede lograr resultados ligeramente mejores para un número muy alto de elementos, la desviación cuadrática media en los modelos k-omega converge mucho más rápido con el aumento de la densidad de la malla. El mejor ejemplo de esto es el par de modelos con 2,7 millones de celdas. Aquí, el modelo k-épsilon es bastante inútil, mientras que k-omega ya puede proporcionar buenos resultados.
De hecho, el modelo k-omega con resolución media cumple en el mejor de los casos con el experimento y también puede superar a los modelos RWIND de resolución significativamente más alta. No se pudo identificar una razón precisa para esto. Por lo tanto, es posible suponer que el problema de optimización con una dimensionalidad tan alta es un acierto fortuito.

Para una comparación más clara de la simulación de referencia con los resultados de RWIND, se recomienda ver las velocidades de flujo como una imagen en color de la botella. La sección alrededor del edificio considerado se adaptó a la de los autores [1]. Por razones de derechos de autor, aquí no se comparan las imágenes en falso color una al lado de la otra. El resultado se muestra a continuación.

Velocidad del flujo en todos los edificios - Caso D de AIJ

También hay una muy buena correlación con la simulación de la literatura. No hay desviaciones significativas o áreas notables.

En resumen, k-omega siempre es más preciso para modelos de menor resolución en este caso de estudio, mientras que los resultados con una alta densidad de malla siguen siendo muy buenos.
Por otro lado, la presión residual en los modelos k-omega converge después de muchas más iteraciones. A continuación se muestra una comparación.

Residuos para dos modelos de turbulencia

Estas observaciones coinciden con las expectativas de varios modelos de turbulencia. Para el uso de k-omega, recomendamos aumentar considerablemente el número de iteraciones máximas. El valor predeterminado de 300 se debe aumentar manualmente hasta al menos 1.000.

Conclusión

Las desviaciones cuadráticas medias de diferentes combinaciones de número de elemento y modelo de turbulencia se resumen a continuación.

Un posible enfoque de mejora es a menudo el refinamiento de la malla. En el caso de este modelo, sin embargo, la influencia de tal refinamiento de malla es muy pequeña. La configuración "Capas de contorno" ya representa un refinamiento de malla, por lo que es posible discretizar suficientemente los edificios circundantes relativamente pequeños. Se prescindió del análisis de densificación de la malla después de la evaluación de un modelo de prueba.

Finalmente, hay un muy buen cumplimiento entre RWIND y el punto de referencia experimental, que puede incluso superar el punto de referencia de la literatura. Ambos modelos de turbulencia son adecuados para esto, por lo que el k-omega puede proporcionar resultados significativamente mejores para las densidades de malla bajas.

[1] Guía para las predicciones de la dinámica de fluidos computacional (CFD) del entorno eólico urbano
[2] Digitalizador Engauge

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Ejemplo D de AIJ Bechmarks - edificio alto rodeado por bloques (uniformes) de casas