Ejemplos de AIJ Caso E - Complejo de edificios en un entorno urbano real densamente construido, basado en la ciudad de Niigata

Introducción

El Instituto de Arquitectura de Japón (AIJ) ha presentado una serie de escenarios de referencia bien conocidos de la simulación de viento.
El siguiente artículo trata del "" Caso E - Edificio Ccomplejo en una zona urbana real con una densa concentración de edificios de baja altura en la ciudad de Niigata ".
A continuación, 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 E describe una sección de ciudad auténtica con una concentración predominantemente densa de edificios no muy altos. Solo unos pocos edificios sobresalen significativamente del resto. Una descripción más precisa de la geometría o la posición de los puntos de medición individuales es irrelevante debido a la geometría muy compleja. Los autores proporcionaron la geometría completa como un archivo CAD [1] y la importaron a RFEM para este artículo para poder transferirla a RWIND.

El diseño del modelo se muestra a continuación.

01 Construcción de modelos desde arriba - Estudio de caso de AIJ: Sección de la ciudad real con edificios bajos Ciudad de Niigata

La velocidad del flujo se evaluó en la simulación en puntos claramente definidos. También se ha publicado la posición exacta de los puntos de medición [1].

La posición de los puntos de medición se muestra a continuación.

02 Construcción de modelos desde arriba - Estudio de caso de AIJ: Sección de la ciudad real con edificios bajos Ciudad de Niigata

A diferencia de los modelos con menor complejidad geométrica, la configuración del nivel de detalle al crear la malla en RWIND es muy relevante en este caso. Para un nivel de detalle bajo, como el valor predeterminado 2, la malla retráctil cierra los callejones entre edificios o patios interiores. Por lo tanto, se recomienda encarecidamente establecer el nivel de detalle en el valor máximo de 4. A continuación se muestra el problema con una densidad de malla del 15%.

03 Nivel de detalle de malla 2 y 15% de densidad de malla

04 Nivel de detalle de malla 4 y 15% de densidad de malla

A pesar de la misma configuración con respecto a la densidad de la malla, hay una diferencia considerable en el número de elementos y, por lo tanto, en la calidad de la malla. Por lo tanto, se recomienda usar el Nivel de detalle 4 en cualquier caso y solo optimizar la densidad de malla en base a esta configuración.

En el experimento AIJ, se configuró el modelo correspondiente en un túnel de viento y se midió la velocidad del viento en los puntos mencionados utilizando sondas de fibra dividida.
Los autores utilizaron tres enfoques de modelado de los cuales sólo se utiliza el "Código T" en este artículo. Se seleccionó este modelo porque es un solucionador comercial no especificado, en lugar de un código desarrollado individualmente que sería más fácil de aplicar para propósitos especiales, y porque RWIND también es una herramienta comercial.
La comparación de RWIND con los tres enfoques de modelado se omitió por razones de claridad. Además, los resultados de los diferentes enfoques en la publicación [1] no difieren significativamente en términos de calidad. Por lo tanto, las comparaciones que se presentan aquí son muy similares con los otros dos modelos.

Para este artículo se utilizó RWIND Pro 2.02. La estructura del modelo en RWIND se adaptó a la estructura del CFD de referencia lo mejor posible. Se utilizó el estándar k – ε como modelo de turbulencia, asumiendo un flujo constante. Las comparaciones que se hacen aquí se refieren a la dirección del viento del oeste en la publicación [1]. Para las siguientes comparaciones de la velocidad relativa del viento, se estandarizó en 2.77 m/s.

La velocidad del flujo sobre la altura se muestra a continuación.

Los resultados experimentales de la 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 no se publicaron los valores exactos para esto.
Sin embargo, la precisión de los puntos extraídos debe ser lo suficientemente precisa (en el intervalo + -0,5%) y, por lo tanto, fácilmente comparable.

Otro factor de influencia importante 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 cerca del 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 altamente compleja de la ciudad, se activó la configuración mencionada anteriormente y el número de capas adicionales ("NL") se estableció en 10.

Ergebnisse resp. Diskussion

La representación de los puntos de medición posicionados en tres dimensiones 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 correspondencia entre la simulación y el experimento.

05 Correlación de las simulaciones con el experimento de recuento alto de elementos para diferentes modelos de turbulencia

La desviación cuadrática media (MSE) 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 la simulada no representa una regresión y, por lo tanto, solo significaría un tipo de ponderación de las desviaciones individuales y ninguna bondad de ajuste. El MSE es geométricamente más fácil de interpretar con la misma expresividad.

Se destaca en particular la región cercana al edificio más alto, es decir, aquellos puntos con la velocidad de flujo más baja en el experimento. Para este grupo de puntos, se puede observar un mayor grado de concordancia entre RWIND y el experimento que entre RWIND y la simulación de AIJ. Esta región se examinará más de cerca en la investigación detallada posterior.

En general, es recomendable observar más de cerca la influencia de la densidad de la malla. A continuación, se comparan redes de diferentes densidades con una estructura de modelo idéntica y un modelo de turbulencia de k-épsilon RAS con el punto de referencia de la bibliografía. Los resultados se muestran a continuación.

06 Simulaciones que se correlacionan con el experimento Simulaciones de referencia y RWIND k-épsilon con diferentes números de elementos

Los puntos de datos individuales se encuentran en el intervalo de velocidad relativa del flujo, especialmente entre 0 y 0,8. La concordancia con los experimentos a veces difiere significativamente dentro y fuera del intervalo indicado. Para una mejor comparabilidad, solo los puntos de datos con rel. Las velocidades de flujo por debajo de 0,8 se muestran para ambos ejes y las desviaciones cuadradas medias se recalculan en consecuencia.

07 Correlación de las simulaciones con el experimento en rel. Velocidades de flujo por debajo de 0,8 Simulaciones de referencia y RWIND k-épsilon con diferentes números de elementos

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

08 Simulaciones que se correlacionan con el experimento Simulaciones de referencia y RWIND k-omega con diferentes números de elementos

Al igual que con la comparación de los modelos k-épsilon, las velocidades de flujo bajas se compararon por separado para k-omega. Estos datos se visualizan a continuación.

09 Correlación de las simulaciones con el experimento en rel. Velocidades de flujo por debajo de 0,8 Simulaciones de referencia y RWIND k-omega con diferentes números de elementos

Los resultados de la comparación de los modelos k-épsilon se confirman aquí. Para las redes de menor resolución, las velocidades relativas del flujo por debajo de 0,8 se desvían más del punto de referencia experimental que la media en todos los puntos de datos.
Sin embargo, con un número creciente de elementos, este efecto se invierte, de modo que los modelos estrechamente conectados se desvían aún menos para las velocidades de flujo relativas bajas.

Los puntos incluidos en esta consideración separada tienden a estar ubicados en áreas más densamente construidas. La ubicación de los puntos podría explicar los mejores resultados de las mallas más complejas porque las mallas más finas pueden representar la geometría con mayor precisión. Debido a que la geometría real influye en estos puntos más que los puntos con velocidades de flujo relativas por encima de 0.8, la malla más densa golpea mejor el experimento.

10 Residuos para dos modelos de turbulencia - Caso E

Estas observaciones coinciden con las expectativas de los distintos modelos de turbulencia. Por lo tanto, para el uso de k-omega, es recomendable aumentar considerablemente el número de iteraciones máximas. El valor predeterminado de 300 se debe aumentar manualmente a al menos 1000.

En general, la comparación de los dos modelos de turbulencia en RWIND es menos clara para el caso E que, por ejemplo, para el caso D. En este ejemplo de referencia, el modelo k-épsilon es superior para cualquier densidad de malla. Además, k-épsilon se escala mucho mejor que k-omega a medida que aumenta el número de elementos. Los resultados del último modelo de turbulencia no parecen seguir una convergencia con una mayor densidad de malla. El modelo de complejidad media ofrece los mejores resultados, mientras que el modelo muy complejo muestra, con mucho, la mayor desviación del punto de referencia experimental. Por lo tanto, los resultados de k-épsilon están dentro del intervalo esperado y también pueden superar la simulación de referencia con una densidad de malla alta, pero no se pueden sacar conclusiones congruentes para k-omega. La desviación muy alta para el modelo k-omega más grande en particular es un misterio. presumiblemente no se pudo identificar de manera concluyente un factor de influencia del k-omega pero que no afectaba por igual a k-épsilon.

Para una comparación más clara de la simulación de referencia con los resultados de RWIND, es recomendable considerar las velocidades del flujo como una imagen en color de la botella.
La sección considerada alrededor del edificio más alto se adaptó a la de los autores [1]. El resultado se muestra a continuación.

11 Velocidad del flujo alrededor del edificio más alto - Caso E de AIJ

Por razones de derechos de autor, las imágenes en color falso no se comparan una al lado de la otra en este momento.

Además, se mostró la imagen en falso color de la velocidad del flujo en toda la ciudad al nivel de los puntos de medición.

12 Velocidad del flujo en toda la ciudad - Caso E de AIJ

Aquí también hay muy buen acuerdo con la simulación de la bibliografía. Las desviaciones más pequeñas se producen principalmente en las esquinas de los edificios con un flujo brusco, pero son pequeñas en términos de cantidad y muy limitadas en el espacio.

Resumen

Las desviaciones cuadráticas medias de varias combinaciones de número de elementos y modelo de turbulencia se resumen a continuación.

La siguiente es una comparación de los distintos rangos de velocidad.

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