Caso D de exemplos de AIJ - edifício alto no meio de edifícios mais pequenos

Introdução

O Instituto de Arquitetura do Japão (AIJ) apresenta vários cenários de referência bem conhecidos para a simulação de vento.
O seguinte artigo trata do "Caso D – Edifício alto entre os quarteirões".
A seguir, o cenário descrito é simulado no RWIND 2 e os resultados são comparados com os resultados simulados e experimentais da AIJ.

Disposição do modelo

O caso D descreve um edifício cubóide simples com uma base quadrada e uma altura quatro vezes a, rodeado por blocos de apartamentos mais pequenos que também são cuboide.
Estes blocos de apartamentos também têm uma área retangular, mas maior, com apenas um décimo da altura do edifício grande.
O grande edifício central está rodeado por blocos de apartamentos mais pequenos num padrão regular.
As dimensões exatas, a velocidade do fluxo e o comportamento de turbulência foram retirados da publicação original [1].
A distribuição da velocidade do fluxo sobre a altura é apresentada abaixo.

A velocidade do fluxo foi avaliada na simulação em alguns pontos de baixa altitude.
Na experiência AIJ, foi configurado um modelo correspondente num túnel de vento e a velocidade do vento foi medida nos pontos mencionados utilizando amostras de fibra dividida.

O modelo k-ε padrão foi utilizado como modelo de turbulência, assumindo um fluxo estacionário.
A estrutura do modelo no que diz respeito às dimensões da geometria é apresentada abaixo. A altura dos edifícios pequenos é semelhante à figura 0,25, enquanto o edifício central individual é de 2,5.

Layout do modelo - estudo de caso de AIJ: edifício alto rodeado por quarteirões de casas

Configuração do modelo 1 - AIJ caso D

Configuração do modelo 2 - AIJ caso D

A posição dos pontos de medição está resumida na tabela seguinte. A origem faz-se no solo da cidade, no centro de gravidade da base do edifício central. Todos os pontos de medição estão a uma altura de 0,05.

Os resultados experimentais da AIJ foram publicados na sua página de Internet [1]. Os dados exibidos da simulação AIJ foram determinados com a ferramenta ENGAUGE Digitizer [2] a partir dos gráficos da publicação [1] , uma vez que os valores exatos para isso não foram publicados.
No entanto, a precisão dos pontos extraídos deve ser suficientemente precisa (no intervalo de +-0,5%) e, portanto, facilmente comparável.

Na experiência de referência, alguns pontos não foram avaliados, mas foram determinados na simulação. Para evitar a necessidade de excluir completamente esses pontos da avaliação, foi assumido que a experiência e a simulação da literatura produziam resultados idênticos para esses pontos. Para as seguintes comparações, os resultados da simulação da literatura são até sobrestimados.

Outro fator de influência importante é a configuração "Camadas de contorno", que aumenta significativamente a densidade da malha em torno da condição de fronteira inferior (solo). Em geral, a malha perto do solo influencia os resultados nesta região mais do que seria o caso com uma maior distância ao solo, porque as condições de fronteira do solo têm uma forte influência. Devido à geometria bastante complexa da cidade, foi ativada a configuração mencionada acima e o número de camadas extra ("NL") foi definido como 10.

Para este artigo, foi utilizado o RWIND Pro 2.02. A estrutura do modelo no RWIND foi adaptada o mais próximo possível da estrutura do CFD de referência.

Resultados e discussão

A representação dos pontos de medição posicionados tridimensionalmente através de numeração unidimensional simples pode ser difícil de interpretar. Por isso, aqui são apresentadas comparações diretas da experiência (eixo x) e simulação (eixo y) para todos os pontos de medição. Quanto mais perto um ponto de medição estiver da linha diagonal y=x, maior será a correlação entre a simulação e a experiência. Abaixo, existem dois dos modelos RWIND de elementos altos com melhor correspondência juntamente com a referência na literatura.

Correlação das simulações com o experimento Re e simulações RWIND com alta contagem de elementos

É visível à primeira vista que os resultados dos pontos de medição individuais estão distribuídos de forma mais homogénea em torno dos resultados experimentais. Enquanto a simulação da literatura quase sempre sobrestima a velocidade do fluxo, o RWIND apresenta resultados ora inferiores, ora superiores.

O desvio quadrático médio (MSD) foi utilizado como critério de comparação, mas uma comparação dos coeficientes de determinação também mostraria o mesmo comportamento, por exemplo. Foi preferido o desvio quadrático médio ao coeficiente de determinação porque a relação entre a velocidade do fluxo experimental e simulada não representa uma regressão e, portanto, seria apenas uma espécie de ponderação dos desvios individuais e não uma qualidade de ajuste. O MSD é geometricamente mais fácil de interpretar com a mesma expressão.

O critério de comparação MSD confirma a presunção da primeira observação. Ambos os modelos com malha de alta resolução, mas diferentes modelos de turbulência, cumprem muito bem o valor de referência experimental. O modelo k-epsilon é ainda melhor do que a publicação, enquanto o modelo k-omega está logo atrás.

No entanto, não deve ser esquecido que vários pontos para a referência da literatura foram artificialmente assumidos como falhados.
Se estes pontos forem calculados para o MSD, os dois modelos RWIND apresentam um erro inferior ao do valor de referência.

É recomendável observar mais de perto a influência da densidade da malha. A seguir, malhas de diferentes densidades com uma estrutura de modelo idêntica e um modelo de turbulência RAS k-epsilon são comparados com a referência da literatura. Os resultados são apresentados abaixo.

Correlação das simulações com a experiência Simulações de benchmark e do RWIND k-epsilon com diferentes números de elementos

Também foi realizado um estudo de convergência de malha para o modelo de turbulência k-omega e as mesmas formações de malha. Os resultados são apresentados abaixo.

Correlação das simulações com a experiência Simulações de benchmark e RWIND k-omega com diferentes números de elementos

Enquanto o modelo de turbulência RAS k-epsilon pode atingir resultados ligeiramente melhores para números de elementos muito elevados, o desvio quadrático médio nos modelos k-omega converge muito mais rapidamente com o aumento da densidade da malha. O melhor exemplo disso é o par de modelos com 2,7 milhões de células. Aqui, o modelo k-epsilon é bastante útil, enquanto o k-omega já pode proporcionar bons resultados.
De facto, o modelo k-omega com resolução média está em conformidade com a experiência na melhor das hipóteses e também pode ultrapassar os modelos RWIND de resolução significativamente mais alta. Não foi possível identificar uma razão precisa para isso. Portanto, é possível assumir que o problema de otimização com uma dimensional tão alta é um resultado do acidente.

Para uma comparação mais clara da simulação de referência com os resultados do RWIND, é recomendável visualizar as velocidades do fluxo como uma imagem colorida de vidro. A secção em torno do edifício em consideração foi adaptada à dos autores [1] . Por razões de direitos de autor, as imagens com cores fictícias não são comparadas aqui. O resultado é apresentado abaixo.

Velocidade do fluxo sobre todos os edifícios - AIJ caso D

Também existe uma correlação muito boa com a simulação da literatura. Não existem desvios relevantes ou áreas perceptíveis.

Em resumo, o k-omega é sempre mais preciso para modelos de resolução mais baixa neste estudo de caso, enquanto os resultados com uma densidade de malha alta ainda são muito bons.
Por outro lado, a pressão residual nos modelos k-omega converge após um número significativamente maior de iterações. Pode ser efetuada uma comparação.

Resíduos para dois modelos de turbulência

Estas observações coincidem com as expectativas de vários modelos de turbulência. Para utilizar o k-omega, é portanto, recomendado aumentar consideravelmente o número de iterações máximas. O valor predefinido de 300 deve ser aumentado manualmente para, pelo menos, 1000.

Conclusão

Os desvios quadráticos médios das diferentes combinações dos números de elementos e dos modelos de turbulência são representados abaixo.

Uma abordagem de melhoria possível é frequentemente o refinamento da malha. No caso deste modelo, no entanto, a influência de tal refinamento de malha é muito pequena. A configuração "Camadas de contorno" representa já um refinamento da malha, por isso é possível discretizar suficientemente os edifícios circundantes relativamente pequenos. A análise de densificação da malha foi dispensada após a avaliação de um modelo de teste.

Por fim, existe uma conformidade muito boa entre o RWIND e o valor de referência experimental, que consegue mesmo ultrapassar o valor de referência da literatura. Ambos os modelos de turbulência são adequados para isto, sendo que o k-omega pode fornecer resultados significativamente melhores para densidades de malha baixa.

[1] Guia para Previsões CFD de Ambiente de Vento Urbano
[2] Ativar digitalizador

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Exemplo D do AIJ Bechmarks - edifício alto rodeado por blocos de casas (uniformes)