Introduzione
L'Architectural Institute of Japan (AIJ) ha presentato una serie di noti scenari di riferimento per la simulazione del vento.
Il seguente articolo si occupa del "Caso E - Complesso edilizio nell'area urbana attuale con una densa concentrazione di edifici bassi nella città di Niigata".
Nel testo seguente, lo scenario descritto è simulato in RWIND 2 e i risultati sono confrontati con i risultati simulati e sperimentali dall'AIJ.
Layout del modello
Il caso E descrive una sezione di città realistica con uno sviluppo prevalentemente denso ma edifici non molto alti. Solo pochi edifici sono significativamente al di sopra del resto. Una descrizione più precisa della geometria o della posizione dei singoli punti di misura è irrilevante a causa della geometria molto complessa. La geometria completa è stata resa disponibile dagli autori come file CAD [1] e importata in RFEM per questo articolo per poterla trasferire in RWIND.
Il layout del modello è mostrato di seguito.
La velocità del flusso è stata valutata nella simulazione in punti chiaramente definiti. Anche la posizione esatta dei punti di misura è stata pubblicata [1].
La posizione dei punti di misurazione è mostrata di seguito.
| Coordinata x | Coordinata y | Punto | Coordinata x | Coordinata y | Punto | Coordinata x | Coordinata y | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | -27 | 112 | 28 | -39.5 | -4 | 55 | -11 | -50 |
| 2 | -93 | 33 | 29 | -32 | 0 | 56 | 38 | 5.5 |
| 3 | -88 | 35 | 30 | -39 | -11 | 57 | 74 | 22 |
| 4 | -74 | 40 | 31 | 6.5 | 52 | 58 | 63 | 0.5 |
| 5 | -61 | 45,5 | 32 | 65,5 | 74,5 | 59 | 50.5 | -22.5 |
| 6 | -50.5 | 49,5 | 33 | 73,5 | 56,5 | 60 | 88.5 | -6 |
| 7 | -33.5 | 57,5 | 34 | -117.5 | -32 | 61 | 31 | 0 |
| 8 | -9.5 | 69 | 35 | -86.5 | -35.5 | 62 | 39.5 | -20 |
| 9 | 7 | 76,5 | 36 | -75 | -31.5 | 63 | 92,5 | 20 |
| 10 | 45 | 94 | 37 | -55.5 | -23 | 64 | 100,5 | 3.5 |
| 11 | 80,5 | 110 | 38 | -26 | -10 | 65 | -83 | -94 |
| 12 | -133 | 21 | 39 | -9 | -2.5 | 66 | -49.5 | -78.5 |
| 13 | -97 | 19 | 40 | 6.5 | 4.5 | 67 | -10 | -59.5 |
| 14 | -84 | 22.5 | 41 | 29.5 | 15 | 68 | 1 | -54 |
| 15 | -65.5 | 29.5 | 42 | 53 | 26 | 69 | 26 | -43 |
| 16 | -47.5 | 36,5 | 43 | 67.5 | 32,5 | 70 | 46.5 | -33.5 |
| 17 | -25 | 47 | 44 | 83 | 39 | 71 | 66.5 | -24.5 |
| 18 | -5 | 56 | 45 | 120,5 | 56,5 | 72 | 82 | -17.5 |
| 19 | 13.5 | 64,5 | 46 | -121 | -56.5 | 73 | 98.5 | -9.5 |
| 20 | 50 | 81,5 | 47 | -96.5 | -59.5 | 74 | 56.5 | -54.5 |
| 21 | 87 | 97,5 | 48 | -77 | -59 | 75 | 109 | -17.5 |
| 22 | -114.5 | -8 | 49 | -59.5 | -51.5 | 76 | 116 | -30.5 |
| 23 | -90.5 | 8 | 50 | -45.5 | -45 | 77 | 5 | -94 |
| 24 | -56 | 33 | 51 | -24.5 | -19.5 | 78 | 45.5 | -86.5 |
| 25 | -51 | 22 | 52 | -31 | -23.5 | 79 | 81.5 | -69.5 |
| 26 | -46.5 | 11 | 53 | -24.5 | -38 | 80 | 125 | -49.5 |
| 27 | -39 | 16 | 54 | -20 | -30.5 |
A differenza dei modelli con una complessità geometrica inferiore, l'impostazione del livello di dettaglio durante la creazione della mesh in RWIND è molto importante in questo caso. Per un basso livello di dettaglio, come il valore predefinito 2, la rete termoretraibile chiude i vicoli tra gli edifici o i cortili interni. Pertanto, si consiglia vivamente di impostare il livello di dettaglio sul valore massimo di 4. Quanto segue mostra il problema con una densità della mesh del 15%.
Nonostante la stessa impostazione per quanto riguarda la densità della mesh, c'è una notevole differenza nel numero di elementi e quindi nella qualità della mesh. Pertanto, si consiglia di utilizzare il livello di dettaglio 4 in tutti i casi e di ottimizzare la densità della mesh esclusivamente sulla base di questa impostazione.
Nell'esperimento AIJ, un modello corrispondente è stato impostato in una galleria del vento e la velocità del vento è stata misurata nei punti menzionati utilizzando sonde a fibra divisa.
Gli autori hanno utilizzato tre approcci di modellazione, di cui in questo articolo viene utilizzato solo il "Codice T". Questo modello è stato selezionato perché è un solutore commerciale non specificato, invece di un codice sviluppato individualmente che sarebbe più facile da applicare a scopi speciali e perché RWIND è anche uno strumento commerciale.
Il confronto di RWIND con tutti e tre gli approcci di modellazione è stato omesso per motivi di chiarezza. Inoltre, i risultati dei diversi approcci nella pubblicazione [1] non differiscono significativamente in termini di qualità. I confronti qui presentati sono quindi molto simili anche con gli altri due modelli.
RWIND Pro 2.02 è stato utilizzato per questo articolo. La struttura del modello in RWIND è stata adattata il più vicino possibile alla struttura del CFD di riferimento. La norma k–ε è stata utilizzata come modello di turbolenza, assumendo un flusso costante. I confronti fatti qui si riferiscono alla direzione del vento da ovest nella pubblicazione [1]. Per i seguenti confronti della velocità relativa del vento, è stata normalizzata su 2,77 m/s.
La velocità del flusso sopra l'altezza è mostrata di seguito.
| Altezza in m | Velocità del flusso in m/s | |
|---|---|---|
| 1 | 1.25 | 2,8470 |
| 2 | 2.50 | 3,0420 |
| 3 | 5,00 | 3,2604 |
| 4 | 7,50 | 3,4086 |
| 5 | 12,50 | 3,7674 |
| 6 | 25,00 | 4,3602 |
| 7 | 50,00 | 5,1090 |
| 8 | 75,00 | 5,6940 |
| 9 | 100,00 | 6,1620 |
| 10 | 150,00 | 6,9654 |
| 11 | 200,00 | 7,3944 |
| 12 | 250,00 | 7,8000 |
I risultati sperimentali dell'AIJ sono stati pubblicati sul loro sito web [1].
I dati visualizzati della simulazione AIJ sono stati determinati utilizzando lo strumento ENGAUGE Digitizer [2] dai grafici della pubblicazione [1], poiché i valori esatti per questo non sono stati pubblicati.
Tuttavia, la precisione dei punti estratti dovrebbe essere sufficientemente accurata (nell'intervallo +-0,5%) e quindi facilmente confrontabile.
Un altro importante fattore di influenza è l'impostazione "Strati al contorno", che aumenta significativamente la densità della mesh attorno alla condizione al contorno inferiore (terreno). In generale, la mesh vicino al terreno influenza i risultati in questa regione più di quanto sarebbe il caso con una maggiore distanza dal terreno, perché la condizione al contorno del terreno ha una forte influenza. A causa della geometria altamente complessa della città, l'impostazione sopra menzionata è stata attivata e il numero di strati extra ("NL") è stato impostato su 10.
Risultati e discussione
La rappresentazione dei punti di misura posizionati tridimensionalmente tramite una semplice numerazione unidimensionale può essere difficile da interpretare. Pertanto, i confronti diretti dell'esperimento (asse x) e della simulazione (asse y) sono mostrati di seguito per tutti i punti di misurazione. Più un punto di misura è vicino alla linea diagonale y=x, maggiore è la correlazione tra la simulazione e l'esperimento.
La deviazione quadratica media (MSD) è stata utilizzata come criterio di confronto, ma anche un confronto dei coefficienti di determinazione mostrerebbe lo stesso comportamento, ad esempio. La deviazione quadratica media è stata preferita al coefficiente di determinazione perché il rapporto tra la velocità del flusso sperimentale e quella simulata non rappresenta una regressione e quindi sarebbe solo una sorta di ponderazione delle singole deviazioni e non una bontà di adattamento. L'MSD è geometricamente più facile da interpretare con la stessa espressività.
Spicca in particolare la regione vicino all'edificio più alto; cioè, quei punti con la velocità di flusso più bassa nell'esperimento. Per questo gruppo di punti, è possibile osservare un grado di correlazione più elevato tra RWIND e l'esperimento rispetto a RWIND e la simulazione AIJ. Questa regione sarà esaminata più da vicino nella successiva analisi dettagliata.
In generale, è consigliabile dare un'occhiata più da vicino all'influenza della densità della mesh. Di seguito, le mesh di diverse densità con una struttura del modello altrimenti identica e un modello di turbolenza RAS k-epsilon vengono confrontate con il benchmark della letteratura. I risultati sono mostrati di seguito.
I singoli punti dati si trovano nell'intervallo della velocità relativa del flusso, in particolare tra 0 e 0,8. La correlazione con gli esperimenti a volte differisce in modo significativo all'interno e all'esterno dell'intervallo indicato. Per una migliore comparabilità, solo i punti dati con rel. velocità del flusso inferiori a 0,8 sono mostrate per entrambi gli assi e le deviazioni quadrate medie sono ricalcolate di conseguenza.
È stato anche effettuato uno studio di convergenza della mesh per il modello di turbolenza k-omega e le stesse formazioni di mesh. I risultati sono mostrati di seguito.
Come per il confronto dei modelli k-epsilon, le basse velocità del flusso sono state confrontate separatamente per k-omega. Questi dati sono visualizzati di seguito.
I risultati del confronto dei modelli k-epsilon sono qui confermati. Per le mesh a risoluzione inferiore, le velocità del flusso relative inferiori a 0,8 si discostano maggiormente dal benchmark sperimentale che dai punti dati complessivi medi.
Con un numero crescente di elementi, tuttavia, questo effetto è invertito, in modo che i modelli a maglie strette deviano ancora meno per le basse velocità di flusso relative.
I punti inclusi in questa considerazione separata tendono ad essere situati in aree più densamente edificate. La posizione dei punti potrebbe spiegare i migliori risultati delle mesh più complesse, perché le mesh più fini possono rappresentare la geometria in modo più accurato. Poiché la geometria reale influenza questi punti più dei punti con velocità del flusso relative superiori a 0,8, la mesh più densa si adatta meglio all'esperimento.
Queste osservazioni coincidono con le aspettative di vari modelli di turbolenza. Per l'uso di k-omega, raccomandiamo quindi di aumentare considerevolmente il numero di iterazioni massime. Il valore predefinito di 300 deve essere aumentato manualmente fino ad almeno 1.000.
In conclusione, il confronto di entrambi i modelli di turbolenza in RWIND è meno chiaro per il caso E che per il caso D, ad esempio. In questo esempio di riferimento, il modello k-epsilon è superiore per qualsiasi densità di mesh. Inoltre, k-epsilon scala molto meglio di k-omega all'aumentare del numero di elementi. I risultati di quest'ultimo modello di turbolenza non sembrano seguire alcuna convergenza con una densità di mesh maggiore. Il modello di media complessità fornisce i migliori risultati, mentre il modello molto complesso mostra la deviazione maggiore di gran lunga dal benchmark sperimentale. Pertanto, i risultati di k-epsilon rientrano nell'intervallo previsto e possono anche battere la simulazione di riferimento se la densità della mesh è alta, ma non è possibile trarre conclusioni congruenti per k-omega. La deviazione molto alta per il modello k-omega più grande in particolare è un mistero. Presumibilmente, un fattore che influenza k-omega, ma non influenza ugualmente k-epsilon, non può essere identificato in modo definitivo.
Per un confronto più chiaro della simulazione di riferimento con i risultati di RWIND, è consigliabile visualizzare le velocità del flusso come un'immagine a colori della bottiglia.
La sezione considerata intorno all'edificio più alto è stata adattata a quella degli autori [1]. Il risultato è mostrato di seguito.
Per motivi di copyright, le immagini in falsi colori non vengono confrontate una accanto all'altra a questo punto.
Inoltre, l'immagine in falsi colori della velocità del flusso sull'intera città è stata mostrata a livello dei punti di misurazione.
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C'è anche un'ottima correlazione con la simulazione della letteratura. Deviazioni più piccole si verificano principalmente negli angoli dell'edificio con un flusso acuto, ma queste sono piccole in termini di quantità e sono spazialmente molto limitate.
Conclusione
Le deviazioni quadrate medie di diverse combinazioni di numero di elementi e modello di turbolenza sono riassunte di seguito.
| Modello di turbolenza k-epsilon | Modello di turbolenza k-omega | |
|---|---|---|
| Riferimento | 6,06% | non applicabile |
| 3,7 milioni di cellule | 7,39% | 8,84% |
| 7,6 milioni di cellule | 7,07% | 7,68% |
| 14 milioni di cellule | 6,94% | 8,26% |
| 52 milioni di cellule | 5,86% | 11,22% |
Di seguito, c'è un confronto tra le diverse gamme di velocità.
| k-epsilon inferiore a 0,8 | k-epsilon superiore a 0,8 | k-omega inferiore a 0,8 | k-omega superiore a 0,8 | |
|---|---|---|---|---|
| Riferimento | 6,96% | 1,52% | non applicabile | non applicabile |
| 3,7 milioni di cellule | 7,66% | 6,09% | 9,26% | 6,83% |
| 7,6 milioni di cellule | 7,29% | 5,96% | 7,83% | 6,99% |
| 14 milioni di cellule | 7,11% | 6,07% | 8,22% | 8,42% |
| 52 milioni di cellule | 5,80% | 6,12% | 10,79% | 13,53% |
[1]
Guida per le previsioni CFD dell'ambiente del vento urbano
[2]
Engauge digitalizzatore