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 Arquitetura do Japão (AIJ) apresenta vários cenários de referência bem conhecidos para a simulação de vento.
O seguinte artigo lida com o "Caso E – Complexo de edifícios em área urbana real com densidade densa de edifícios baixos na cidade de Niigata".
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 E descreve uma secção de cidade realista com desenvolvimento predominantemente denso, mas com edifícios não muito altos. Apenas alguns edifícios sobressaem significativamente acima do resto. Uma descrição mais precisa da geometria ou da posição dos pontos de medição individuais é irrelevante devido à geometria muito complexa. A geometria completa foi disponibilizada pelos autores como 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.

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.

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 modelos com menos complexidade geométrica, a configuração do nível de detalhe ao criar a malha no RWIND é altamente relevante neste caso. Para um nível de detalhe baixo, como por exemplo o valor padrão 2, a malha shrink-wrapping fecha vigas entre edifícios ou pátios interiores. Portanto, é altamente recomendável definir o nível de detalhe para o valor máximo de 4. A seguir é apresentado o problema com uma densidade de malha de 15%.

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

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

Apesar da mesma configuração em relação à densidade da malha, existe uma diferença considerável no número de elementos e, portanto, na qualidade da malha. Portanto, é recomendado a utilização do Nível de detalhe 4 em todos os casos e a otimização da densidade da malha apenas com base nesta configuração.

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.
Os autores utilizaram três abordagens de modelação, das quais apenas é utilizado o "código T" neste artigo. Este modelo foi selecionado por ser um solucionador comercial não especificado, em vez de um código desenvolvido individualmente que seria mais fácil de aplicar a finalidades especiais, e também 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 de diferentes abordagens na publicação [1] não diferem significativamente em termos de qualidade. As comparações apresentadas aqui são, portanto, também muito semelhantes com os outros dois modelos.

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. O k-ε padrão foi utilizado como modelo de turbulência, assumindo um fluxo estacionário. As comparações aqui efetuadas referem-se à direção oeste do vento na publicação [1]. Para as seguintes comparações da velocidade relativa do vento, a norma foi padronizar 2,77 m/s.

A velocidade do fluxo sobre a altura é apresentada abaixo.

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.

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 altamente complexa da cidade, foi ativada a configuração mencionada acima e o número de camadas extra ("NL") foi definido como 10.

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.

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

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.

Destaca-se, em particular, a região junto ao edifício mais alto; ou seja, os pontos com a velocidade de fluxo mais baixa na experiência. Para este grupo de pontos, pode ser observado um maior grau de correlação entre o RWIND e a experiência do que entre o RWIND e a simulação AIJ. Esta região será examinada mais detalhadamente numa análise detalhada posterior.

De uma forma geral, 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.

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

Os pontos de dados individuais encontram-se no intervalo da velocidade relativa do fluxo, especialmente entre 0 e 0,8. A correlação com as experiências às vezes difere significativamente dentro e fora do intervalo indicado. Para uma melhor comparabilidade, apenas os pontos de dados com rel. as velocidades do fluxo inferiores a 0,8 são apresentadas para ambos os eixos e os desvios quadráticos médios são recalculados em conformidade.

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 malha para o modelo de turbulência k-omega e as mesmas formações de malha. Os resultados são apresentados abaixo.

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

Tal como na comparação com os modelos k-epsilon, as velocidades de fluxo baixas foram comparadas separadamente para o k-omega. Estes dados são visualizados abaixo.

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

Os resultados da comparação dos modelos k-epsilon são confirmados aqui. Para malhas de resolução mais baixa, as velocidades relativas do fluxo abaixo de 0,8 divergem mais da referência experimental do que da média geral de pontos de dados.
Com um número crescente de elementos, no entanto, este efeito é invertido, de modo que os modelos malhados se desviam ainda menos para as velocidades de fluxo relativas baixas.

Os pontos incluídos nesta consideração separada geralmente estão localizados em áreas densamente construídas. A localização dos pontos poderia explicar os melhores resultados das malhas mais complexas, porque as malhas mais finas podem representar a geometria com mais precisão. Uma vez que a geometria real influencia mais esses pontos do que os pontos com velocidades relativas do fluxo acima de 0,8, a malha mais densa ajusta-se melhor à experiência.

Resíduos para dois modelos de turbulência - caso E

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.

Em resumo, a comparação dos dois modelos de turbulência no RWIND é menos clara para o caso E do que para o caso D, por exemplo. Neste exemplo de referência, o modelo k-epsilon é superior para qualquer densidade de malha. Além do mais, o k-epsilon 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 qualquer convergência com uma densidade de malha mais alta. O modelo de complexidade média fornece os melhores resultados, enquanto o modelo muito complexo apresenta o maior desvio em relação à referência experimental. Portanto, os resultados do k-epsilon estão dentro do intervalo esperado e também podem superar a simulação de referência se a densidade da malha for alta, mas não podem ser retiradas conclusões congruentes para o k-omega. Em particular, o desvio muito alto para o maior modelo k-omega é um mistério. Provavelmente, um fator de influência de k-omega, mas não igualmente afectando k-epsilon, não pôde ser identificado de forma conclusiva.

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 considerada em torno do edifício mais alto foi adaptada à dos autores [1]. O resultado é apresentado abaixo.

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

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

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

Velocidade do fluxo sobre toda a cidade - caso AIJ E

Também existe uma correlação muito boa com a simulação da literatura. Os desvios menores ocorrem principalmente nos cantos do edifício com um fluxo forte, mas são pequenos em termos de quantidade e são muito limitados em termos espaciais.

Conclusão

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

A seguir, é efetuada uma comparação dos diferentes intervalos de velocidade.

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

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Casos de teste AIJ ØE – Complexo de edifícios em ambiente urbano denso, referência a Niigata