CC BY
13Двумерное численное моделирование аэродинамики живой изгороди
Улюмджиева Гиляна Вячеславовна
магистр, Калмыцкий государственный университет имени Б.Б. Городовикова, gilyana.1994@bk.ru
В данной статье рассматривается один из способов улучшения пешеходной комфортности в условиях окружающей застройки и рельефа местности. Ветровые потоки в городской застройке являются источником дискомфорта на пешеходном уровне и негативно влияют на микро климатологию жилых районов. В силу влияния локальной городской застройки данные по скоростям ветра могут значительно отклоняться от данных из метеорологических станций. В статье реализуется двумерное численное моделирование аэродинамики живой изгороди (кустарника) в виде изотропной пористой области, все аэродинамические расчеты выполняются в программном комплексе ANSYS CFX, осуществляется подбор наиболее точного коэффициента объемной пористости, приближенного к результатам эксперимента, а также одновременно приводится сравнение результатов численного моделирования с результатами, полученными в аэродинамической трубе для каждого параметра. Ключевые слова: численное моделирование, живая изгородь, пешеходная комфортность, пористое тело, проницаемость, коэффициент потери, объемная пористость.
Ввиду стремительного роста и уплотнения городской застройки в регионах России за последние 20 лет за счет возведения зданий и комплексов смелых архитектурных форм и оригинальных конструктивных решений при строительстве зданий и сооружений одним из наиболее значимых климатических факторов является ветровой режим местности и площадки строительства. Формирующиеся ветровые потоки могут оказывать негативное влияние на микро климатологию жилых районов и быть источником дискомфорта. Отсутствие при проектировании культуры и общепринятой практики анализа ветровых режимов жилых кварталов с учетом существующей и перспективной застройки уже привело к тому, что появились микрорайоны, где скорость ветра не снижается, а увеличивается на 20% и более, когда на торцевых разрывах между зданиями происходит сильное сужение потоков воздуха [2], в результате образуются зоны ускорения ветра и/или зоны повышенной турбулентности. Данные по скоростям ветра, предоставленные метеорологическими станциями, могут значительно отличаться от ветровой ситуации на местности в силу влияния локальной городской застройки, которая уникальна для каждого района города. Моделирование аэродинамических условий позволяет в рамках анализа пешеходной комфортности спрогнозировать возникновение неблагоприятных ситуаций в пешеходных зонах с учетом особенностей ландшафта местности и окружающей застройки и предложить решения по снижению их негативного воздействия или их ликвидации.
Для численного моделирования аэродинамики зданий с окружающей застройкой был предложен бэнчмарк-тест, проводимый рабочей группой Института Архитектуры Японии(АМ) [7], имеющий в своем наборе работ результаты, полученные в аэродинамической трубе(АДТ). Рассматривается дерево высотой 7 метров, обдуваемое потоком воздуха. На входе в рабочую область профиль скорости подчиняется вертикальному степенному закону. За деревом установлены датчики (точки мониторинга), заме-
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю 2
М О
о
сч
сч
OI
о ш m
X
3
<
m О X X
ряющие мгновенные значения скорости потока на каждой высоте с шагом в 1.5 метра. Модель дерева и направление потока представлены на рис. 1., схема расстановки точек мониторинга -на рис. 2.
Рисунок 1. Модель дерева с указанием направления входящего ветрового потока
Рисунок 2. Точки мониторинга с указанием направления входящего ветрового потока и характерных размеров.
Дерево моделировалось как изотропная пористая область. Потери импульса, возникающие при прохождении через пористое тело формулируются на основе проницаемости и коэффициентов потери
SM. x Kloss
и2 + v2 +w2
S -.
°M. y
SM. y - ■
-K
loss
pvv; 2
и2 + v2 +w2
(1)
K
loss
pwj 2
2 , 2 , 2 и + v +w
Коэффициент потерь К0зз брался равным 1.75, исходя из полученных данных [1], показавший себя как наиболее точный результат в сравнении с экспериментальными данными.
На задаче моделирования живой изгороди, проведено сравнение результатов численного и экспериментального моделирований скоростей в точках мониторинга для различных значений объемной пористости Y (0.3-0.9 с шагом 0.1; 0.99 и 1), выданы рекомендации по назначению расчетных параметров для моделирования проницаемости крон кустарников как одного из способов улучшения пешеходной комфортности.
Все аэродинамические расчеты выполнялись в программном комплексе ANSYS CFX. Параметры расчетов Задача решалась в двумерной постановке. В качестве модели турбулентности была выбрана модель SST(ShearStressTransport).
Заданы следующие основные физические
характеристики потока для аэродинамических
f
расчетов (р - плотность воздуха, ц - коэф-
-f
фициент динамической вязкости, Vn - средняя скорость потока на входе, Re - число Рейнольд-
са): pf = 1.184 кг/м3, /7 =1.831 • 10"°, vm =4.77 м/с, Re=2.1609106.
Дискретизации по пространству осуществлялась методом конечных объемов (МКО).
Максимальное количество итераций составило 300. Применяются схемаадвекции (Advec-tionScheme) HighResolution и неявная схема интегрирования по времени первого порядка First Order Backward Euler.
Критерием сходимости и окончания счета для стационарной постановки -достижение заданного уровня максимальных невязок 10-4.
Расчетные сетки
Расчетный воздушный домен формировался после создания в ANSYS Mechanical модели дерева (см. рис.3), которая в последствии "вычиталась" из модели воздушного пространства (прямоугольной формы высотой 22 м, длиной 88 м. и шириной 0.01м.). Далее в препроцессоре ANSYS Mechanical с использованием разработанных параметризированных макросов в полученном расчетном домене создавалась максимально структурированная гексаэдральная сетка.
-/
Рисунок 3. Расчетная сетка с указанием размера элемента
В каждом из вариантов задавалось свое значение минимального размера элемента и коэффициент соотношения самого большого элемента области к самому маленькому. Размеры элементов сетки на поверхности живой изгороди составил 0.05 ми на "вырезанной" модели дере-
ва 0.05 м. Общий размер расчетной КО-модели составил:90 524.
Начальные и граничные условия Поток на "выходе" (!п!е^ задавался степенной зависимостью вертикального профиля скорости от высоты здания и кинетической энергией турбулентности:
0.22
u( z) = ub hr) Hb
к (z) = 3.02 где параметры Ub
(2)
скорость ветра на ха-
рактерной высоте Hb , к(z) - кинетическая
энергия турбулентности.
На "выходе" (Outlet) и на верхней границе области потоку назначаются "мягкие" граничные условия Opening с относительным давлением равным нулю и такими же параметрами турбулентности, как и на "входе". На "земле" задано условие "стенки с прилипанием" (NoSlipWall, U=V=W=0 м/с), исключающее проникновение вещества через поверхность.
На "поверхности корны дерева" задан интерфейс "жидкость-пористое тело" ("Fluid-Porous Domain") для обеспечения протекания воздуха через пористое тело (домен).
В качестве начальных условий во всем домене задавались нулевые скорости (U=V=W=0 м/с) и нулевые относительные давления.
Рисунок 4. Расчетная модель живой изгороди в ANSYSCFX
Рисунок 5. Заданные граничные условия Результаты расчетов
В данном подразделе приведены основные результаты выполненных расчетных исследований и сопоставление результатов с экспериментом.
Рисунок 6. Расчетное поле скоростей, м/с. Объемная пористость Y=1, коэффициент потерь Кloss =1.75
Рисунок 7. Изолинии скоростей ветра, м/с. Объемная пористость Y=1, коэффициент потерь Кloss =1.75
Далее в таблице 1 представлены относительные погрешности для реальных скоростей ветра в точках мониторинга в сопоставлении с экспериментом.
Таблица 1.
Сравнение результатов численного и экспериментального моделирований скоростей в точках мониторинга для
Точки мониторинга u* [м/с] Y=0.3 Y=0.4 Y=0.5 Y=0.6
u S ,% u S ,% u s, % u S ,%
1 2.05 2.20 7.33 3.24 58.11 2.99 45.99 2.7 7 35.03
10 2.13 2.60 21.98 2.51 17.45 2.48 16.29 2.4 8 15.98
11 2.14 2.39 11.32 2.41 12.35 2.43 13.19 2.4 4 13.97
12 2.42 2.75 13.48 2.61 7.59 2.51 3.62 2.4 5 1.25
13 2.76 2.52 -8.88 2.81 1.84 2.80 1.34 2.7 0 -2.38
14 2.16 2.52 16.68 2.43 12.58 2.40 11.20 2.3 9 10.52
15 2.05 2.27 10.81 2.32 13.35 2.34 14.44 2.3 6 15.15
16 2.45 2.52 2.68 2.48 0.88 2.41 -1.61 2.3 7 -3.37
17 2.83 2.63 -6.91 2.85 0.91 2.86 1.14 2.8 1 -0.67
18 2.39 2.50 4.67 2.40 0.53 2.37 -0.89 2.3 5 -1.79
19 2.38 2.23 -6.48 2.28 -4.28 2.30 -3.26 2.3 1 -2.79
2 2.90 2.72 -6.13 2.62 -9.83 2.61 10.03 2.6 2 -9.70
20 2.79 2.44 -12.61 2.41 -13.49 2.37 15.12 2.3 3 -16.53
21 2.65 2.69 1.33 2.88 8.64 2.90 9.36 2.8 6 7.91
22 2.47 2.49 0.99 2.38 -3.43 2.34 -5.10 2.3 1 -6.32
23 2.61 2.20 -15.43 2.25 -13.47 2.27 12.70 2.2 8 -12.53
X X О го А С.
X
го m
о
ю 2
М О
о
CS
CS Ol
о ш m
X
3
<
m О X X
Точки мониторинга _* [м/с] Y=0.3 Y=0.4 Y=0.5 Y=0.6
u S ,% u S ,% u S , % u S ,%
24 3.08 2.39 -22.40 2.38 -22.92 2.33 24.34 2.2 9 -25.68
25 2.50 2.71 8.24 2.89 15.56 2.92 16.42 2.8 9 15.23
26 2.45 2.50 2.00 2.37 -3.18 2.32 -5.22 2.2 8 -6.84
27 2.62 2.19 -16.72 2.24 -14.76 2.25 14.24 2.2 5 -14.37
Точки мони-торин-га _* [м/с] Y=0.7 Y=0.8 Y=0.9 Y=0.99 Y=1
u S ,% u S ,% u S , % u S ,% u S ,%
1 2.05 2.62 28.15 2.55 24.30 2.50 21.86 2.4 7 20.49 2.47 20.36
10 2.13 2.48 16.00 2.48 16.11 2.48 16.28 2.4 8 16.44 2.49 16.45
11 2.14 2.46 14.61 2.47 15.09 2.47 15.47 2.4 8 15.73 2.48 15.75
12 2.42 2.41 -0.41 2.38 -1.66 2.36 -2.63 2.3 4 -3.32 2.34 -3.39
13 2.76 2.63 -4.83 2.60 -5.80 2.59 -6.33 2.5 8 -6.56 2.58 -6.58
14 2.16 2.38 10.20 2.38 10.03 2.38 9.98 2.3 8 9.96 2.38 9.96
15 2.05 2.37 15.67 2.38 16.04 2.38 16.32 2.3 9 16.51 2.39 16.52
16 2.45 2.34 -4.70 2.31 -5.75 2.29 -6.57 2.2 8 -7.16 2.28 -7.22
17 2.83 2.77 -2.13 2.75 -2.74 2.74 -3.08 2.7 3 -3.27 2.73 -3.28
18 2.39 2.33 -2.39 2.32 -2.81 2.31 -3.10 2.3 1 -3.30 2.31 -3.32
19 2.38 2.32 -2.55 2.32 -2.44 2.32 -2.38 2.3 2 -2.36 2.32 -2.36
2 2.90 2.63 -9.31 2.64 -8.96 2.65 -8.65 2.6 6 -8.40 2.66 -8.38
20 2.79 2.30 -17.69 2.27 -18.64 2.25 19.41 2.2 3 -19.98 2.23 -20.03
21 2.65 2.83 6.67 2.82 6.17 2.81 5.87 2.8 0 5.67 2.80 5.66
22 2.47 2.29 -7.24 2.27 -7.94 2.26 -8.47 2.2 5 -8.84 2.25 -8.88
23 2.61 2.28 -12.57 2.27 -12.69 2.27 12.83 2.2 7 -12.95 2.27 -12.96
24 3.08 2.26 -26.84 2.23 -27.80 2.20 28.57 2.1 9 -29.14 2.18 -29.19
25 2.50 2.86 14.26 2.85 13.84 2.84 13.55 2.8 4 13.34 2.84 13.32
26 2.45 2.25 -8.11 2.23 -9.10 2.21 -9.86 2.1 9 -10.39 2.19 -10.45
27 2.62 2.24 -14.67 2.23 -15.01 2.22 15.31 2.2 2 -15.55 2.22 -15.57
где .100%
Анализ результатов и выводы
Проведенные численные расчеты моделирования аэродинамики живой изгороди показали, что наиболее близкий результат получился при значениях объемной пористости (Volume porosity) от 0.9 до 1. Максимальное отклонение от результатов экспериментального моделирования составило 29%, а минимальное 0.15%.
Литература
Дорошенко А.В. Методика численного моделирования скоростей ветра и пешеходной комфортности в зонах жилой застройки: Дисс. на соискание ученой степени к.т.н. М., МГСУ, 2013. - 169 с.
Белостоцкий А.М., Акимов П.А., Афанасьева И.Н. Вычислительная аэродинамика в задачах строительства. Учебное пособие, 2017. - 720 стр. ANSYS, Inc., "ANSYS 15 Help", 2014.
СимиуЭ.СканланР.Воздействие ветра на здания и сооружения : 1984-.с. 360.
Jackson, P.S. The valution of windy environment / P.S. Jackson // Building and environment. - 1978. - V.13.-P. 251-260
Murakami, S. Wind modeling applied to pedestrian comfort, / S. Murakami// Reinhold.-1982.-P.486-503
Tominaga, Y., Mochida, A. et al. AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings // Journalof Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Volume 96, Issues 10-11,October-November 2008, p. 17491761.
Роуч П. Вычислительная гидродинамика. // М.: Мир, 1980. - 616 с.
Two-dimensional numerical simulation of tree canopy
aerodynamics Ulyumdzhieva G.V.
Kalmyk State University named after B.B. Gorodovikova This article discusses one of the ways to improve pedestrian comfort in the surrounding buildings and terrain. Wind flows in urban areas are a source of discomfort at the pedestrian level and negatively affect the micro-climatology of residential areas. Due to the influence of local urban development, wind speed data may deviate significantly from data from meteorological stations. The article implements a two-dimensional numerical simulation of a tree canopy aerodynamics in the form of an isotropic porous domain, all aerodynamic calculations are performed in the ANSYS CFX software package, the most accurate volume porosity coefficient is used, which is close to the experimental results, and a comparison of the numerical simulation results with results obtained in a wind tunnel for each parameter. Keywords: Computational fluid dynamics (CFD), tree canopy, pedestrian comfort, porous body, permeability, loss coefficient, volume porosity.
References
1. Doroshenko A.V. Methods of numerical modeling of wind speed and pedestrian comfort in residential areas: Diss. for the degree of Ph.D. M., MGSU, 2013. - 169 c.
2. Belostotsky A.M., Akimov P.A., Afanasyev I.N. Computational
aerodynamics in construction problems. Textbook, 2017. -720 p.
3. ANSYS, Inc., "ANSYS 15 Help", 2014.
4. Simiu E. Scanlan R. Effects of wind on buildings and structures: 1984-.C. 360
5. Jackson, P.S. The valution of windy environment / P.S. Jackson // Building and environment. - 1978. - V.13.-P. 251260
6. Murakami, S. Wind modeling applied to pedestrian comfort, /
S. Murakami // Reinhold.-1982.-P.486-503
7. Tominaga, Y., Mochida, A. et al. CFD to pedestrian wind
environment around buildings // Journalof Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Volume 96, Issues 10-11, October-November 2008, p. 1749-1761.
8. Roach P. Computational Fluid Dynamics. // M .: Mir, 1980. -
616 p.
и
