Esempi AIJ Caso E - Complesso edilizio nell'area urbana effettiva con una densa concentrazione di edifici nella città di Niigata

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 C nell'area urbana effettiva con una densa concentrazione di edifici bassi nella città di Niigata".
Di seguito, lo scenario descritto è simulato in RWIND& 2 e i risultati sono confrontati con i risultati simulati e sperimentali da AIJ.

Layout del modello

Il caso E descrive una sezione di città autentica con una concentrazione prevalentemente densa di edifici non molto alti. Solo pochi edifici sporgono significativamente sopra il 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.

01 Costruzione del modello dall'alto - Caso di studio AIJ: sezione di città reale con edifici bassi Niigata City

La velocità del flusso è stata valutata nella simulazione in punti chiaramente definiti. È stata pubblicata anche la posizione esatta dei punti di misura [1].

La posizione dei punti di misura è mostrata di seguito.

02 Costruzione del modello dall'alto - Caso di studio AIJ: sezione di città reale con edifici bassi Niigata City

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%.

03 Livello di dettaglio della mesh 2 e densità della mesh del 15%.

04 Livello di dettaglio della mesh 4 e 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 ogni caso e di ottimizzare la densità della mesh solo 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 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 possibile alla struttura del CFD di riferimento. Lo standard k–ε è stato utilizzato come modello di turbolenza, assumendo un flusso costante. I confronti qui fatti si riferiscono alla direzione del vento da ovest nella pubblicazione [1]. Per i seguenti confronti della velocità relativa del vento, è stata standardizzata su 2,77 m/s.

La velocità del flusso sopra l'altezza è mostrata di seguito.

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, l'accuratezza 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 limite", 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.

Ergebnisse o Diskussion

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 misura. Più un punto di misura è vicino alla linea diagonale y=x, maggiore è la corrispondenza tra la simulazione e l'esperimento.

05 Correlazione delle simulazioni con l'esperimento ad alto numero di elementi per diversi modelli di turbolenza

La deviazione quadratica media (MSE) 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 significherebbe solo un tipo di ponderazione delle singole deviazioni e nessuna bontà di adattamento. L'MSE è geometricamente più facile da interpretare con la stessa espressività.

Spicca in particolare la regione vicino all'edificio più alto, ovvero quei punti con la velocità di flusso più bassa nell'esperimento. Per questo gruppo di punti, è possibile osservare un grado di concordanza maggiore tra RWIND e l'esperimento rispetto a RWIND e la simulazione AIJ. Questa regione sarà esaminata più da vicino nella successiva indagine dettagliata.

In generale, è consigliabile dare un'occhiata più da vicino all'influenza della densità della mesh. Di seguito, le reti di densità diverse 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.

06 Simulazioni correlate con l'esperimento Simulazioni benchmark e RWIND k-epsilon con numeri di elementi diversi

I singoli punti dati si trovano nell'intervallo della velocità del flusso relativa, in particolare tra 0 e 0,8. L'accordo 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. Le velocità del flusso inferiori a 0,8 sono mostrate per entrambi gli assi e gli scostamenti quadratici medi sono ricalcolati di conseguenza.

07 Correlazione delle simulazioni con l'esperimento alla rel. Velocità del flusso inferiori a 0,8 Simulazioni benchmark e RWIND k-epsilon con numeri di elementi diversi

È stato anche condotto uno studio di convergenza della rete per il modello di turbolenza k-omega e le stesse formazioni di rete. I risultati sono mostrati di seguito.

08 Simulazioni correlate con l'esperimento Simulazioni di benchmark e RWIND k-omega con diversi numeri di elementi

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.

09 Correlazione delle simulazioni con l'esperimento alla rel. Velocità del flusso inferiori a 0,8 Simulazioni di benchmark e RWIND k-omega con diversi numeri di elementi

I risultati del confronto dei modelli k-epsilon sono qui confermati. Per le reti a risoluzione inferiore, le velocità relative del flusso inferiori a 0,8 deviano più dal benchmark sperimentale rispetto alla media su tutti i punti dati.
Con un numero crescente di elementi, tuttavia, questo effetto è invertito, così che i modelli strettamente collegati a reti 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 fine. Poiché la geometria reale influenza questi punti più dei punti con velocità di flusso relative superiori a 0,8, la mesh più densa colpisce meglio l'esperimento.

10 Residui per due modelli di turbolenza - Caso E

Queste osservazioni coincidono con le aspettative dei vari modelli di turbolenza. Per l'uso di k-omega, è quindi consigliabile aumentare considerevolmente il numero di iterazioni massime. Il valore predefinito di 300 deve essere aumentato manualmente fino ad almeno 1000.

Nel complesso, il confronto tra i due modelli di turbolenza in RWIND è meno chiaro per il caso E rispetto, ad esempio, per il caso D. 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 una convergenza con maggiore densità di mesh. Il modello di media complessità fornisce i migliori risultati, mentre il modello molto complesso mostra di gran lunga la maggiore deviazione dal benchmark sperimentale. Pertanto, i risultati di k-epsilon rientrano nell'intervallo atteso e possono anche battere la simulazione di riferimento con un'elevata densità di mesh, 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 non è stato possibile identificare in modo definitivo un fattore che influenza il k-omega ma non ugualmente influenza il k-epsilon.

Per un confronto più chiaro della simulazione di riferimento con i risultati di RWIND, è consigliabile considerare le velocità del flusso come un'immagine a colori della bottiglia.
La sezione considerata attorno all'edificio più alto è stata adattata a quella degli autori [1]. Il risultato è mostrato di seguito.

11 Velocità del flusso intorno all'edificio più alto - AIJ Caso E

Per motivi di copyright, a questo punto le immagini in falsi colori non vengono confrontate.

Inoltre, l'immagine in falsi colori della velocità del flusso sull'intera città è stata mostrata a livello dei punti di misurazione.

12 Velocità del flusso sull'intera città - AIJ Caso E

Anche qui c'è un ottimo accordo con la simulazione della letteratura. Deviazioni minori si verificano principalmente negli angoli dell'edificio con un flusso netto, ma queste sono piccole in termini di importo e sono spazialmente molto limitate.

Riepilogo

Le deviazioni quadrate medie di varie combinazioni di numero di elementi e modello di turbolenza sono riassunte di seguito.

Quello che segue è un confronto tra le varie gamme di velocità.

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