Exemplos de AIJ Caso E - complexo de edifícios em área urbana real e densamente povoada, com base na cidade de Niigata

Introdução

O Instituto de Arquitectura do Japão (AIJ) apresentou uma série de cenários de referência bem conhecidos para a simulação de vento.
O seguinte artigo trata do "" Caso E - Complexo de edifícios em área urbana real com concentração densa de edifícios de baixa altura na cidade de Niigata".
A seguir, o cenário descrito é simulado no RWIND& 2 e os resultados são comparados com resultados simulados e experimentais pelo AIJ.

Esquema do modelo

O caso E descreve um autêntico troço de cidade com uma concentração predominantemente densa de edifícios não muito altos. Apenas alguns edifícios sobressaem significativamente acima dos restantes. Uma descrição mais precisa da geometria ou da posição de cada ponto de medição é irrelevante devido à geometria muito complexa. A geometria completa foi disponibilizada pelos autores como um ficheiro CAD [1] e importada para o RFEM para este artigo de forma a poder ser transferida para o RWIND.

A disposição do modelo é apresentada abaixo.

01 Construção de um modelo a partir de cima – estudo de caso AIJ: secção de cidade real com edifícios baixos Cidade de Niigata

A velocidade do fluxo foi avaliada na simulação em pontos claramente definidos. A posição exata dos pontos de medição também foi publicada [1].

A posição dos pontos de medição é apresentada abaixo.

02 Construção de um modelo a partir de cima – estudo de caso AIJ: secção de cidade real com edifícios baixos Cidade de Niigata

Em contraste com os modelos com menos complexidade geométrica, a configuração do nível de detalhe ao criar a malha no RWIND é muito relevante neste caso. Para um baixo nível de detalhe, como o valor padrão 2, a malha retrátil fecha as vielas entre edifícios ou pátios interiores. Por isso, é altamente recomendável definir o nível de detalhe com o valor máximo de 4. A seguir é apresentado um problema com uma densidade de malha de 15%.

03 Nível de detalhe da malha de 2 e densidade da malha de 15%

04 Nível de detalhe da malha de 4 e densidade da malha de 15%

Apesar da mesma configuração no que diz respeito à densidade da malha, existe uma diferença considerável no número de elementos e consequentemente na qualidade da malha. Por isso, é recomendável utilizar em qualquer caso o nível de detalhe 4 e otimizar a densidade da malha apenas com base nesta configuração.

Na experiência de AIJ, foi configurado um modelo correspondente num túnel de vento e a velocidade do vento foi medida nos pontos mencionados utilizando sondas de fibra dividida.
Os autores utilizaram três abordagens de modelação, das quais apenas o "Código T" é utilizado neste artigo. Este modelo foi selecionado porque é um solucionador comercial não especificado, em vez de um código desenvolvido individualmente que seria mais fácil de aplicar para fins especiais e porque o RWIND também é uma ferramenta comercial.
A comparação do RWIND com as três abordagens de modelação foi omitida por razões de clareza. Além disso, os resultados das diferentes abordagens na publicação [1] não diferem significativamente em termos de qualidade. As comparações aqui apresentadas são, portanto, muito semelhantes com os outros dois modelos.

O RWIND Pro 2.02 foi utilizado para este artigo. A estrutura do modelo no RWIND foi adaptada da melhor forma possível à estrutura do CFD de referência. O k–ε padrão foi utilizado como modelo de turbulência, assumindo um fluxo permanente. As comparações aqui feitas referem-se à direção do vento oeste da publicação [1]. Para as seguintes comparações da velocidade relativa do vento, esta foi normalizada em 2,77 m/s.

A velocidade do fluxo ao longo da altura é apresentada abaixo.

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

Outro fator de influência importante é a configuração "Camadas de fronteira", que aumenta significativamente a densidade da malha em torno da condição de fronteira inferior (solo). No geral, a geração de malhas próximo ao solo influencia mais os resultados nesta região do que seria o caso com uma distância maior ao solo, porque a condição de fronteira do solo tem uma forte influência. Devido à geometria altamente complexa da cidade, a configuração acima mencionada foi ativada e o número de camadas extra ("NL") foi definido como 10.

Ergebnisse e Diskussion

A representação de pontos de medição posicionados tridimensionalmente através de uma numeração unidimensional simples pode ser difícil de interpretar. Por isso, a seguir são apresentadas comparações diretas entre a experiência (eixo x) e a simulação (eixo y) para todos os pontos de medição. Quanto mais próximo estiver o ponto de medição da linha diagonal y=x, maior será a correspondência entre a simulação e a experiência.

05 Correlação das simulações com a experiência de um número elevado de elementos para diferentes modelos de turbulência

O desvio médio quadrado (MSE) foi utilizado como critério de comparação, mas uma comparação dos coeficientes de determinação também mostraria o mesmo comportamento, por exemplo. Foi preferido o quadrado do desvio médio ao coeficiente de determinação porque a relação entre as velocidades do fluxo experimental e simulada não representa uma regressão e, portanto, significaria apenas um tipo de ponderação dos desvios individuais e nenhuma qualidade de ajuste. O MSE é geometricamente mais fácil de interpretar com a mesma expressividade.

Em particular, destaca-se a região perto do edifício mais alto, ou seja, os pontos com a velocidade do fluxo mais baixa na experiência. Para este grupo de pontos, pode ser observado um grau de concordância mais alto entre o RWIND e o experimento do que entre o RWIND e a simulação AIJ. Esta região será examinada mais de perto numa investigação detalhada posterior.

No geral, é aconselhável observar mais de perto a influência da densidade da malha. A seguir, redes de diferentes densidades com uma estrutura de modelo idêntica e um modelo de turbulência RAS k-épsilon são comparadas com o parâmetro de referência da literatura. Os resultados são apresentados abaixo.

06 Simulações de correlação com a experiência Simulações de benchmark e do RWIND k-epsilon com diferentes números de elementos

Os pontos de dados individuais estão no intervalo da velocidade do fluxo relativa, especialmente entre 0 e 0,8. A concordância com as experiências por vezes difere de forma significativa dentro e fora do intervalo indicado. Para uma melhor comparabilidade, apenas os pontos de dados com rel. São apresentadas velocidades do fluxo inferiores a 0,8 para ambos os eixos e os desvios quadrados médios são recalculados em conformidade.

07 Correlação das simulações com a experiência no rel. Velocidades de fluxo inferiores a 0,8 Simulações de benchmark e do RWIND k-epsilon com diferentes números de elementos

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

08 Simulações de correlação com a experiência Simulações de benchmark e RWIND k-omega com diferentes números de elementos

Tal como acontece com a comparação dos modelos k-épsilon, as velocidades de fluxo baixas foram comparadas separadamente para o k-omega. Estes dados são visualizados abaixo.

09 Correlação das simulações com a experiência no rel. Velocidades de fluxo inferiores a 0,8 Simulações de benchmark e RWIND k-omega com diferentes números de elementos

As conclusões da comparação dos modelos k-épsilon são confirmadas aqui. Para redes de resolução mais baixa, as velocidades de fluxo relativas abaixo de 0,8 desviam mais da referência experimental do que a média em todos os pontos de dados.
No entanto, com um número crescente de elementos, este efeito é invertido, de forma que os modelos muito próximos da rede desviem ainda menos para as velocidades de fluxo relativas baixas.

Os pontos incluídos nesta consideração separada tendem a estar localizados em áreas mais densamente construídas. A localização dos pontos pode explicar os melhores resultados das malhas mais complexas, porque as malhas mais finas podem representar a geometria de forma mais refinada. Uma vez que a geometria real influencia mais estes pontos do que os pontos com velocidades de fluxo relativas acima de 0,8, a malha mais densa atinge melhor a experiência.

10 Resíduos para dois modelos de turbulência - caso E

As presentes observações coincidem com as expectativas dos diferentes modelos de turbulência. Para a utilização do k-omega, é portanto aconselhável aumentar consideravelmente o número de iterações máximas. O valor predefinido de 300 deveria ser aumentado manualmente para pelo menos 1000.

No geral, a comparação dos dois modelos de turbulência no RWIND é menos clara para o caso E do que, por exemplo, para o caso D. Neste exemplo de referência, o modelo k-épsilon é superior para qualquer densidade de malha. Além disso, o k-épsilon escala muito melhor do que o k-omega à medida que o número de elementos aumenta. Os resultados do último modelo de turbulência não parecem seguir uma convergência com uma densidade de malha mais alta. O modelo de média complexidade apresenta os melhores resultados, enquanto o modelo muito complexo apresenta de longe o maior desvio em relação à referência experimental. Assim, os resultados de k-epsilon estão dentro do intervalo esperado e também podem bater a simulação de referência com uma densidade de malha alta, mas não podem ser tiradas conclusões congruentes para k-omega. O desvio muito alto para o maior modelo k-omega em particular é um mistério. presumivelmente, um fator de influência do k-omega mas não afetando igualmente o k-épsilon não pôde ser identificado de forma conclusiva.

Para uma comparação mais clara da simulação de referência com os resultados do RWIND, é aconselhável considerar as velocidades de fluxo como uma imagem a cores de garrafa.
A secção considerada em torno do edifício mais alto foi adaptada ao dos autores [1]. O resultado é apresentado abaixo.

11 Velocidade do fluxo em torno do edifício mais alto - caso AIJ E

Por razões de direitos de autor, as imagens a cores falsas não são comparadas lado a lado neste momento.

Além disso, foi apresentada uma imagem a cores falsa da velocidade do fluxo sobre toda a cidade ao nível dos pontos de medição.

12 Velocidade do fluxo sobre toda a cidade - caso AIJ E

Aqui, também, existe uma concordância muito boa com a simulação da literatura. Desvios mais pequenos ocorrem principalmente em cantos de edifícios com um fluxo acentuado, mas estes são pequenos em termos de quantidade e são espacialmente muito limitados.

Resumo

Os desvios quadrados médios de várias combinações de número de elementos e modelo de turbulência são resumidos abaixo.

A seguir, é apresentada uma comparação entre as várias gamas de velocidades.

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