Exemples d'AIJ cas E - Ensemble immobilier dans un environnement urbain réel et dense, basé sur la ville de Niigata

Présentation

L'Institut d'architecture du Japon (AIJ) a présenté un certain nombre de scénarios de référence bien connus de la simulation du vent.
L'article suivant traite du "" Cas E - Complexe de bâtiments dans une zone urbaine réelle avec une concentration dense de bâtiments de faible hauteur dans la ville de Niigata ".
Le scénario décrit ci-dessous est simulé dans RWIND& 2 et les résultats sont comparés avec les résultats simulés et expérimentaux par AIJ.

Présentation du modèle

Le cas E décrit une section de ville authentique avec une concentration principalement dense de bâtiments de faible hauteur. Seuls quelques bâtiments dépassent de manière significative les autres. Une description plus précise de la géométrie ou de la position des différents points de mesure n'est pas pertinente en raison de la géométrie très complexe. La géométrie complète a été mise à disposition par les auteurs sous forme de fichier CAO [1] et importée dans RFEM pour cet article afin de pouvoir la transférer dans RWIND.

La disposition du modèle est illustrée ci-dessous.

01 Modélisation vue du dessus - Étude de cas AIJ : Section réelle de la ville avec des bâtiments bas Niigata City

La vitesse d'écoulement a été évaluée dans la simulation à des points clairement définis. La position exacte des points de mesure a également été publiée [1].

La position des points de mesure est indiquée ci-dessous.

02 Modélisation vue du dessus - Étude de cas AIJ : Section réelle de la ville avec des bâtiments bas Niigata City

Contrairement aux modèles moins complexes, le paramétrage du niveau de détail lors de la création du maillage dans RWIND est très important dans ce cas. Pour un niveau de détail faible, tel que la valeur par défaut 2, le maillage thermorétractable ferme les allées entre les bâtiments ou les cours intérieures. Il est donc fortement recommandé de définir le niveau de détail sur la valeur maximale de 4. L'exemple suivant illustre le problème avec une densité de maillage de 15 %.

03 Niveau de détail de maillage 2 et densité de maillage de 15 %

04 Niveau de détail de maillage 4 et densité de maillage de 15 %

Malgré le même réglage en ce qui concerne la densité de maillage, il existe une différence considérable dans le nombre d'éléments et donc dans la qualité du maillage. Il est donc recommandé d'utiliser le niveau de détail 4 dans tous les cas et d'optimiser la densité de maillage uniquement sur la base de ce paramètre.

Dans l'expérience AIJ, un modèle correspondant a été installé dans une soufflerie et la vitesse du vent a été mesurée aux points mentionnés à l'aide de sondes à fibres divisées.
Les auteurs ont utilisé trois approches de modélisation dont seul le « Code T » est utilisé dans cet article. Ce modèle a été sélectionné parce qu'il s'agit d'un solveur commercial non spécifié, au lieu d'un code développé individuellement qui serait plus facile à appliquer à des fins particulières, et parce que RWIND est également un outil commercial.
La comparaison de RWIND avec les trois approches de modélisation a été omise pour des raisons de clarté. De plus, les résultats des différentes approches de la publication [1] ne diffèrent pas significativement en termes de qualité. Les comparaisons présentées ici sont donc très similaires avec les deux autres modèles.

RWIND Pro 2.02 a été utilisé pour cet article. La structure du modèle dans RWIND a été adaptée au mieux à la structure de la CFD de référence. La norme k–ε a été utilisée comme modèle de turbulence, en supposant un écoulement stable. Les comparaisons effectuées ici concernent la direction du vent d'ouest dans la publication [1]. Pour les comparaisons suivantes, la vitesse relative du vent a été normalisée à 2,77 m/s.

La vitesse d'écoulement sur la hauteur est indiquée ci-dessous.

Les résultats expérimentaux de l'AIJ ont été publiés sur leur site Internet [1].
Les données affichées pour la simulation AIJ ont été déterminées à l'aide de l'outil de numérisation ENGAUGE [2] à partir des graphiques de la publication [1], car les valeurs exactes n'ont pas été publiées.
Cependant, la précision des points extraits doit être suffisamment précise (de l'ordre de +-0,5 %) et donc facilement comparable.

Le paramètre « Couches limites », qui augmente considérablement la densité de maillage autour de la condition limite inférieure (sol), est un autre facteur d'influence important. En général, le maillage proche du sol influence davantage les résultats dans cette région que ce ne serait le cas avec une plus grande distance au sol, car la condition aux limites du sol a une forte influence. En raison de la géométrie très complexe de la ville, le paramètre mentionné ci-dessus a été activé et le nombre de couches supplémentaires (« NL ») a été défini sur 10.

Ergebnisse et Diskussion

La représentation des points de mesure positionnés en trois dimensions via une simple numérotation unidimensionnelle peut être difficile à interpréter. Des comparaisons directes de l'expérience (axe des x) et de la simulation (axe des y) sont donc présentées ci-dessous pour tous les points de mesure. Plus un point de mesure est proche de la diagonale y=x, plus grande est la correspondance entre la simulation et l'expérience.

05 Corrélation des simulations avec l'expérience avec un nombre élevé d'éléments pour différents modèles de turbulence

L'écart quadratique moyen (MSE) a été utilisé comme critère de comparaison, mais une comparaison des coefficients de détermination montrerait également le même comportement, par exemple. L'écart quadratique moyen a été préféré au coefficient de détermination car le rapport entre la vitesse d'écoulement expérimentale et la vitesse d'écoulement simulée ne représente pas une régression et ne signifierait donc qu'un type de pondération des écarts individuels et aucune qualité d'ajustement. La MSE est géométriquement plus facile à interpréter avec la même expressivité.

La région à proximité du bâtiment le plus haut se démarque particulièrement, c'est-à-dire les points où la vitesse d'écoulement est la plus faible dans l'expérience. Pour ce groupe de points, un degré de concordance plus élevé peut être observé entre RWIND et l'expérience qu'entre RWIND et la simulation AIJ. Cette région sera examinée de plus près dans une étude détaillée ultérieure.

En général, il est conseillé d'examiner de plus près l'influence de la densité de maillage. Dans ce qui suit, des réseaux de densités différentes avec une structure de modèle par ailleurs identique et un modèle de turbulence RAS k-epsilon sont comparés aux références de la littérature. Les résultats sont affichés ci-dessous.

06 Simulations en corrélation avec l'expérience Benchmark et simulations RWIND k-epsilon avec différents nombres d'éléments

Les points de données individuels se situent dans la plage de vitesse d'écoulement relative, en particulier entre 0 et 0,8. La concordance avec les expériences diffère parfois de manière significative à l'intérieur et à l'extérieur de la plage indiquée. Pour une meilleure comparabilité, seuls les points de données avec rel. Les vitesses d'écoulement inférieures à 0,8 sont affichées pour les deux axes et les écarts quadratiques moyens sont recalculés en conséquence.

07 Corrélation des simulations avec l'expérience à rel. Vitesses d'écoulement inférieures à 0,8 Benchmark et simulations RWIND k-epsilon avec différents nombres d'éléments

Une étude de convergence de réseau a également été réalisée pour le modèle de turbulence k-oméga et les mêmes formations de réseau. Les résultats sont affichés ci-dessous.

08 Simulations en corrélation avec l'expérience Benchmark et simulations k-omega RWIND avec différents nombres d'éléments

Comme pour la comparaison des modèles k-epsilon, les faibles vitesses d'écoulement ont été comparées séparément pour k-omega. Ces données sont visualisées ci-dessous.

09 Corrélation des simulations avec l'expérience à rel. Vitesses d'écoulement inférieures à 0,8 Benchmark et simulations k-omega RWIND avec différents nombres d'éléments

Les résultats de la comparaison des modèles k-epsilon sont confirmés ici. Pour les réseaux à faible résolution, les vitesses d'écoulement relatives inférieures à 0,8 s'écartent davantage de la référence expérimentale que la moyenne sur tous les points de données.
Avec un nombre croissant d'éléments, cet effet s'inverse, de sorte que les modèles en réseau étroit s'écartent encore moins pour les faibles vitesses d'écoulement relatives.

Les points inclus dans cette considération distincte ont tendance à être situés dans des zones à plus forte densité de population. L'emplacement des points pourrait expliquer les meilleurs résultats des maillages plus complexes car les maillages plus fins peuvent représenter la géométrie plus finement. Étant donné que la géométrie réelle influence davantage ces points que les points dont la vitesse d'écoulement relative est supérieure à 0,8, le maillage le plus dense correspond mieux à l'expérience.

10 Valeurs résiduelles pour deux modèles de turbulence - Cas E

Ces observations coïncident avec les attentes des différents modèles de turbulence. Pour l'utilisation de k-omega, il est donc conseillé d'augmenter considérablement le nombre d'itérations maximales. La valeur par défaut de 300 doit être augmentée manuellement jusqu'à au moins 1000.

Dans l'ensemble, la comparaison des deux modèles de turbulence dans RWIND est moins claire pour le cas E que, par exemple, pour le cas D. Dans cet exemple de référence, le modèle k-epsilon est supérieur quelle que soit la densité de maillage. De plus, l'échelle k-epsilon est bien meilleure que k-omega lorsque le nombre d'éléments augmente. Les résultats de ce dernier modèle de turbulence ne semblent pas suivre une convergence avec une densité de maillage plus élevée. Le modèle de complexité moyenne fournit les meilleurs résultats, tandis que le modèle très complexe présente de loin l'écart le plus important par rapport au référentiel expérimental. Ainsi, les résultats de k-epsilon sont dans la plage attendue et peuvent également battre la simulation de référence avec une densité de maillage élevée, mais aucune conclusion congruente ne peut être tirée pour k-omega. L'écart très élevé pour le plus grand modèle k-oméga en particulier est un mystère. Il n'a probablement pas été possible d'identifier de manière concluante un facteur influençant le k-omega mais n'affectant pas de manière égale le k-epsilon.

Pour une comparaison plus claire de la simulation de référence avec les résultats de RWIND, il est conseillé de considérer les vitesses d'écoulement comme une image en couleur de bouteille.
La section considérée autour du bâtiment le plus haut a été adaptée à celle des auteurs [1]. Le résultat est affiché ci-dessous.

11 Vitesse d'écoulement autour du bâtiment le plus haut - AIJ Case E

Pour des raisons de droits d'auteur, les images en fausses couleurs ne sont pas comparées côte à côte à ce stade.

De plus, l'image en fausses couleurs de la vitesse d'écoulement sur toute la ville a été affichée au niveau des points de mesure.

12 Vitesse d'écoulement sur toute la ville - AIJ Cas E

Ici aussi, il y a un très bon accord avec la simulation de la littérature. Les écarts les plus faibles se produisent principalement aux angles des bâtiments avec un flux important, mais ils sont faibles et très limités dans l'espace.

Résumé

Les écarts quadratiques moyens de diverses combinaisons de nombre d'éléments et de modèle de turbulence sont résumés ci-dessous.

Voici une comparaison des différentes plages de vitesse.

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