CC BY
16
УДК 551.588.7 DOI: 10.30977/АТ.2219-8342.2019.44.0.72
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЕФЕКТУ ТЕПЛОВОГО ОСТРОВА В М1СТ1 ХАРК1В
Роговий А. С.1,
1Харк1вський нацюнальний автомоб1льно-дорожн1й ун1верситет
Анотаця. На основ! числового моделювання р1внянь течИ пов1тря, р1внянь теплоперенесення з урахуванням сонячног рад1ацИ досл1джено прояви ефекту «теплового м1ського острова» на приклад! дыянки м1ськог забудови м. Харкова. Отримано показники зм1ни температури пов1т-ря в р1зний час протягом доби.
Ключов1 слова: тепловий м1ський остр1в, теплоперенесення, м1ська забудова, модель турбуле-нтност1, сонячна рад1ац1я.
Вступ
В останш десятилгття значно зрю штерес до оптимiзащl мюьких умов для комфортного проживання мешканщв великих мют. Сприяють цьому двi основних причини: зна-чне зростання кшькосп мешканщв у мютах i вщповщне зростання потреби в комфортному проживанш. Перша причина приводить до значного збшьшення розмiрiв великих мют. Зпдно з даними ООН кшькють мюьких мешканщв перевищуе число сшьських уже починаючи з 2008 р., а до 2030 р. загалом буде бшьш нiж 5 млрд ошб. Очевидно, що особливосп розвитку мiст стають усе бшьш актуальними й залучають усе бшьшу кшь-кiсть дослiдникiв. Починаючи з 90-х рр. ми-нулого столггтя почала формуватися окрема дисциплiна, яку називають «Мюька (урбаню-тична) фiзика» [1]. До сфери iнтересiв ще! дисциплiни звичайно належать: змiна ктма-ту у великих i малих мютах; енергетика й концентращя великих промислових тдпри-емств; забруднення повпря в мегаполiсах; безпеку; транспорт; здоров'я людей, що проживають у мютах. Ус видiленi проблеми, що дослщжують в урбанiстичнiй фiзицi, е взаемозалежними. Зокрема оптимiзацiя транспорту й маршрута усерединi мiста впливае на викиди забруднювальних шкiдливих ре-човин в атмосферу й, вщповщно, на здоров'я людей [2-4].
Мета 1 постановка завдання
Одшею з основних проблем, що привер-тае увагу дослщниюв, е змша в мюькому мь кроклiматi, яку звичайно називають «ефек-том мiського теплового острова». Цей ефект почали розглядати й фшсувати починаючи з 80-х рр. минулого столггтя. На сьогодшшнш день проведено велику кшькють дослщжень i цей ефект задокументовано у дуже багатьох мютах, наприклад: Токю (Япошя), Сiнгапур
(Сiнгапур), Пекiн (Китай), Куала-Лумпур (Малайзiя), Куритиба (Бразилiя), Афiни (Грещя), Аахен (Нiмеччина), Рим (Iталiя), Фшкс (США) i ще в багатьох шших, практично на всш земнiй кулi [5]. Бiльшiсть дослщжень проведено в швшчних широтах мiж тропiчним i арктичним колами. Крiм того, можна зауважити про вщсутнють вiдомого авторам дослiдження для Харкова, що мае стандартну архггектуру пострадянських кра-!н. Такi дослщження можуть виявити деякi новi особливосп мiського теплового острова з урахуванням проектування мют i побудови будiвель i споруджень за радянськими вимо-гами.
За останш двадцять роюв опублшовано бiльш нiж 500 статей, присвячених проблемам моделювання ктмату мют i розрахунку забруднень. Однiею з причин тако! пильно! уваги до теплового ефекту може бути вияв-лений Гарссеном [6] зв'язок мiж температурою в мют й кiлькiстю смертей у ньому. Ба-гато авторiв стверджують, що збiльшення середньотижнево! температури в межах мюта збiльшуе кшькють смертей, i це спостер^а-еться практично в ушх мiстах Свропи. Таким чином, полiпшення клiматичних умов у великих урбанютичних центрах е одшею з най-бшьш глобальних проблем людства, вирi-шення яко! приводить до значного зниження прояву ефекту мюького теплового острова, що, у свою чергу, полшшуе самопочуття ме-шканцiв, а також знижуе витрати електрое-нерги (за рахунок зменшення витрат на кон-дищонування повiтря).
Метою ще! роботи е виявлення ефекту теплового острова в м. Харковi та його досль дження.
Анал1з публжацш
Прояв ефекту теплового острова наведено на рис. 1.
Необхщно вщзначити, що на рисунку подано, о^м ефекту мюького теплового острова, також i ефект мiського холодного острова. Йому звичайно придiляють значно менше уваги, але за рахунок його шнування поряд iз тепловим островом коливання тем-ператури повiтря в мют значно зменшують-ся. Крiм того, про подiбне розташування кривих температур у мсп й сшьськш мюце-востi свiдчать досить багато додаткових дос-лiджень i в мютах пiвнiчних широт [7, 8].
Час, год
Рис. 1. Ефект мюького теплового (ЕМТО) й
холодного (ЕМХО) островiв
Як видно з графжа, рiзниця в температурах у мюькш i сiльськiй обласп перевищуе 2-3 °С .
Основними причинами виникнення теплового острова, зпдно з [9], е:
- складна геометрiя вулиць за наявносп висотних будинк1в, що не дозволяе сонячно-му випромiнюванню поглинатися елемента-ми будiвель, i виникнення складного тепло-обмiну;
- тепловi властивостi матерiалiв поверх-нi будiвель i дорiг так1, що збшьшують збе-реження тепла;
- антропогенний фактор, пов'язаний зi спалюванням палива й метаболiзмом тварин;
- ефект «теплищ» в мiстi за рахунок бшьш забруднено! атмосфери;
- зменшення ефективного альбедо мюь-ко! системи за рахунок множинного вщбиття сонячного випромшювання поверхнями бу-дiвель мюта;
- зменшення поверхонь випару в мют (воднi поверхнi, рослини, дерева), що приз-водить до меншо! переробки теплових пото-к1в;
- зменшення турбулентного переносу тепла з вулиць.
Ввдповвдно до [10, 11] основними способами боротьби з проявом теплового мюького ефекту е збшьшення зелених насаджень
(50 %), використання свгглих кольорiв для покриття дахiв (29 %), використання свгглих, «холодних» кольорiв для покриття поверхонь дорiг (21 %). Природно, що на сьогодшшнш день найкращим способом оцiнки проектних рiшень у галузi мiкроклiмату мюта е попере-дне моделювання пропонованих змш у стру-кгурi насаджень i кольорiв покригтiв дахiв i фасадiв. Для того щоб одержати адекватш результати, необхiдно у процес моделювання комбiнувати кiлька моделей: модель адве-кци для обтжання будiвель i споруджень мю-та, модель теплообмшу з урахуванням сонячного випромшювання за часом й мю-цем знаходження Сонця i, вщповщно, тiней вiд будiвель. У багатьох випадках моделю-ють ще й викид шюдливих речовин в атмосферу, що може змшювати тепловий баланс у мюи, у зв'язку з виникненням ефекту «теп-лищ». Ц завдання е досить складними й найчастiше потребують нестацiонарного ро-зрахунку на сiтках iз досить великою кшькю-тю елементiв, що, у свою чергу, потребуе значних ресурав комп'ютерно! технiки.
Основний материал дослщжень
Для оцiнки проектних рiшень, спрямова-них на полiпшення прояву теплового острова в мсп, моделювання мае мютити моделювання руху повпря, теплопередачу й рiвнян-ня радааци. Радiацiйнi тепловi потоки, що звичайно розглядають тд час моделювання, подано на рис. 2 [12].
Поглинання
Рис. 2. Тепловi потоки в мсп
Загальний баланс енергш може бути запи-саний у такш формi [13]:
0* + = Qн + QE + AQs + + 5, (1)
де 0* - загальний попк ращацп всiх хвиль; 0Р - антропогенний тепловий попк; 0н -турбулентний явний тепловий попк; 0Е -
турбулентний прихований тепловий потiк; AQS - накопичений тепловий потiк у зада-ному об'емi (поглинання й випромшювання зi всiх поверхонь: вода, грунт, будiвельнi ма-терiали); AQA - адвективний потiк тепла; S - ус iншi джерела й поглиначi тепла, на-приклад, фотосинтез.
Найчастiше потоками AQA й S нехтують у силу !х незначущостi порiвняно з шшими. Антропогенний потiк враховуеться здебшь-шого в зимовий перiод, коли загальний соня-чний потiк мае меншi значення, нiж улiтку.
Модель руху р1дини. Обтшання будiвель i споруджень у межах мiста з урахуванням теплопередачi характеризуеться нестащона-рнютю, енергетичною нерiвноважнiстю, масштабною дифузiею, що обумовлюеться ная-внiстю великих когерентних структур. У робот [14] припущено, що провести адеква-тний розрахунок на основi стащонарних рiв-нянь ЯАЫЗ дуже складно, але, з шшого боку, проведення нестащонарного розрахунку дозволяе адекватно розрахувати основш характеристики потоку. У такому випадку ос-новнi рiвняння для стисливого середовища в нестащонарнш постановщ у формi Ейнш-тейна [14]:
Ф , дРи]
+ 0; дt дх,
а(Риг )^д(рии;)_
г
дt дх.
' (2)
у^ Ь-Р"Х )+рр(Т - т0)«
д(рк) д(риук) д ( , ц дh ^ 1 " + - ри р ^
дt
дх,.
дх,.
Рг дх,.
_ 0,
1 У
де и, р, к, р - осереднеш швидкiсть, густи-на, ентальтя й тиск вiдповiдно; риг'и1 - тензор Рейнольдсових напруг; ри,к ' - турбулентний тепловий потiк моделюеться зв'язком з турбулентним числом Прандтля й турбулентною в'язюстю; ц - динамiчна в'язюсть;
Рг _ срц/ 5 - число Прандтля; ср - питома
теплоемнють середовища за умови постшно-го тиску; 5 - коефщент теплопровiдностi.
Тензор Рейнольдсових напруг i турбулентний тепловий потш повиннi моделюватися за спецiальними залежностями. Тензор Рейнольдсових напруг моделюеться на основi
88Т моделi турбулентносп [15]. Для моделей такого типу функщональний зв'язок мiж турбулентною в'язюстю й осередненими характеристиками турбулентностi визначаеться спiввiдношенням [16, 17]:
а1к
тах ( а1ю, ОР2)
(3)
де а1 _ 0,31 - емтричний коефiцiент; k -кшетична енергiя турбулентностi; ю - частота турбулентних пульсацiй; О - абсолютна величина завихореностц
_ tanh
тах
2у[к 500у
Р* ' 2 юу у ю
(4)
де у - вiдстань вiд стiнки; р* - константа, рiвна 0,075.
У свою чергу кшетична енерпя турбулен-тностi дорiвнюе:
к _ 2 (и и + vv + w w ) .
(5)
Змша в часi та в просторi кшетично1 енер-гп турбулентностi й частоти турбулентних пульсацш описуеться рiвнянням переносу характеристик турбулентностi [17, 18]:
д(рк)+ д (
дt дх,.
дх,.
(
дк
,
д(рю) д
дх
+ Рк-Р * рк ю;
- + -дt дх,
(ри, ю)_
(6)
(
дх,
дю
р(У + Сю1УТ ^
, У
-рРю2 + CDю+a-Р Рк,
Цт
(
де Р. _ тт
дУ- * х, -V- ,10р*к ю дх
генерацiйний
турбулентний член;
Ут _
2
д
= tanh
min
тах
4к 500у
О* 2
риу у ю
4Сю2к CDЫ у2
емтрична функщя;
СЕ>ы = тах
1 дк дю
2РСш2~. „ ,10
-10
ю дх. дх.
- пози-
тивна частина перехресних дифузшних чле-шв [20, 21].
Математичне моделювання проводилося за умови таких значень констант модели
си = 0,85; Ск2 =1;
= 0,5;
сИ2 = 0,856;
а1 = 5/9; а2 = 0,44; ^ = 3/40; Р2 = 0,0828, обумовлених р1внянням ф = + Ф2 (1 - ^ ) .
Модель сонячного випромшювання. У цш робот використовувалася модель випромшювання за методом Монте-Карло, яка припускае, що поле випромшювання можна розглядати як фотонний газ. Для цього газу середня штенсивнють випромшювання е пропорцшною вщсташ, пройденш фотоном в одинищ об'ему за одиницю часу. У цьому випадку можна одержати штенсивнють на основ1 тдрахунку фотошв у кожному елеме-нт об'ему. Кр1м того, тдраховуючи кшь-кють фотошв, що падають на поверхню, оде-ржують середнш рад1ацшний пот1к { середнш пот1к, який поглинаеться.
Мета рад1ацшного моделювання полягае в тому, щоб виршити р1вняння переносу випромшювання для р1вняння енерги та знайти рад1ацшний тепловий пот1к на стшках. Р1в-няння переносу випромшювання можна за-писати у виглядк
( К К ) = dt
= -(Кау +Ку)1у (?,?) + КаЛ (у,Т) + (7) +К^ | сау (г,К)Ф(К • К)dО' + 5,
4л
де V - частота; г - рад1ус-вектор; 5 - вектор напрямку; Ка - коефщент абсорбци; К5 - коефщ1ент розсдавання; 1Ь - штенсивнють випромшювання абсолютно чорного тша; 1у - спектральна штенсивнють випромшювання, що залежить вщ положення й напрямку; Т - локальна абсолютна температура; О - тшесний кут; Ф - фазова функщя розсдавання; 5 - джерело штенсивносп випромшювання.
Р1вняння (7) е р1внянням першого порядку вщносно 1у у напрямку 5. Для розв'язання цього р1вняння потр1бно задати граничш умови для 1у :
1) непрозор1 дифузно випромшювальш й ди-фузно вщбивальш гранищ:
1у (К,5) = бу (К) 1ь (V,Т) + +Р^Ы г 1у г,К)|Я • КdО' ;
1Т *
(8)
И-5 '<0
2) дифузно випромшювальш й дзеркально вщбивальш гранищ:
1у (К,К ) = бу (К ) 1ь (у,Т) +
+Р^Ы г (Г№,)|п-гуо'+ру(г№)1у(г№л),
Л ' п
п<0
де р*1 - дифузшна вщбивна здатнють; рУ -дзеркальна вщбивна здатнють; ру - спектра-льна вщбивна здатнють.
Геометрична модель. Харюв характери-зуеться досить великою кшькютю високих будинюв, особливо у «спальних» районах мюта (30-50 м). Багато будинюв у цих районах мають 12 й 16 поверх1в. Вуличш дерева наявш в досить великш кшькосп, однак !х висота рщко перевищуе 8-15 м, тобто здебь льшого вони е нижчими за будинки. Розгля-нута дшянка розташована у схщному райош мюта (рис. 3).
Рис. 3. Мюце розташування дослщжувано!
площ1 м1сько! забудови
Розглянута д1лянка мюько! забудови мае так1 координати: 49°57' N й 36°21' Е. З огляду на рекомендацп з побудови розрахунково! галуз1 створено с1ткову модель дослщжува-но! д1лянки. Ус1 с1тков1 розбивки складалися з тетрагональних { призматичних елеменпв. Згущення с1ткових елеменпв виконувалося
4
поблизу твердих стшок насамперед, - поб-лизу буд1вель. Основна р1зниця м1ж сткови-ми розбивками полягала в розм1р1 сткового призматичного елемента поблизу стшки бу-динку, що в пщсумку приводило до зростан-ня числа елеменив за умови зменшення роз-м1ру.
Результаты моделювання. На рис. 4 наведет результата розрахунку температури поверхш Земл1 дослщжуванох' дшянки о 09.00, 13.00 1 о 18.00.
Рис. 4. Розподш температури за часом: а -
о 09.00; б - о 13.00; в - о 18.00
На рис. 4, в можна бачити зменшення температури в дшянщ тш (Сонце на цьому рисунку свгтить знизу з штенсившстю 300 Вт/м2). Ус графки наведен з однаковим д1апазоном змши температури, що усклад-нюе видим1сть температурних ефект1в. Тому на рис. 5 наведено поле температур ¡з мен-шим д1апазоном змшення температури.
Рис. 5. Розподш температури в ранковий час
318.3
313.7
309.0
304.3
299.7
295.0 ™ [К]
ИЛ
Рис. 6. Нагр1вання буд1вель унаслщок впливу сонячного випромшювання за часом: а -о 09.00; б - о 13.00; в - о 18.00
Наведену вище математичну модель роз-раховано у програмному комплекс ОрепРоаш, який надаеться розробником з вшьною лщенз1ею.
На рис. 6 показано вплив сонячного ви-промшювання на нагр1вання буд1вель. Ус
а
б
в
графши наведенi з однieю шкалою змши те-мператури.
Точне прогнозування приграничного шару е важливим для одержання адекватних результалв моделювання мiкроклiмату мiста [1]. Для цього необхщно правильно задати шорсткiсть поверхш Землi. З цiею метою профшь вертикально! швидкостi задавався за такою формулою:
Використання ще'1 моделi може значно зме-ншити час розрахунку.
U ( z ) = Us
f z V
(9)
де из - швидюсть поза приграничним шаром на висол = 10 м; а = 0,4 - емтрич-ний коефiцiент, що залежить вiд поверхнi.
У нашому випадку коефiцiент обрано для мюько! забудови. Загалом можна використа-ти й шший спосiб задання профшю швидкос-тi у граничнiй умовi входу в тому випадку, якщо моделюеться весь приграничний шар мюта велико! висоти. Докладно це розгляда-еться в [22].
На рис. 7, 8 наведеш картини порiвняння розрахункiв з урахуванням i без урахування шорсткосл. Шорсткiсть було задано величиною = 1 м, що в перерахуванш на кв = 29,6 м. Спостер^аються змiни в темпе-ратурi бiля поверхнi Землi й будiвель, що, схоже, пов'язано зi зменшенням швидкостi поблизу поверхонь. Вектори швидкосп пока-занi на вiдстанi 0,6 м вщ поверхнi Землi.
б
Рис. 7. Порiвняння векторiв швидкосп: а -тд час розрахунку без урахування шорсткосп; б - з 11 врахуванням
Необхщно вщмггити, що якщо задаеться профшь приграничного шару, не мае сенсу розглядати модель турбулентносл SST i дос-татньо використати «к-е» модель турбулентносл, у якiй примежовий шар задаеться про-фiлем швидкосп, як i в нашому випадку.
б
Рис. 8. Порiвняння розподiлу температури: а - пiд час розрахунку без урахування шорсткосп; б - з Ii врахуванням
Таким чином, отримано модель, що дозволяв розрахувати розподши температури пов^я в мюл та виявити ефект теплового острова бшя будiвель та дор^ у мiстi. Це до-помагае на етапi проектування застосувати та оцшити вплив основних способiв боротьби з проявом теплового мюького ефекту: збшь-шення зелених насаджень, використання свь тлих кольорiв для покриття дахiв, використання свплих, «холодних» кольорiв для покриття поверхонь дорш
Висновки
1. У робот на основi числового моделювання шляхом виршення URANS -рiвнянь, рiвнянь теплоперенесення з урахуванням со-нячно! радiацii дослiджено прояви ефекту «теплового мюького острова» на прикладi дшянки мюько! забудови м. Харкова. Одержано картини змши температури повлря в рiзний час протягом доби. Пщтверджено
V Zs )
а
наявнють ефекту «теплового острова» в Хар-KOBi 3i збiльшенням температури на 2...4 °С, порiвняно i3 сiльською мiсцевiстю.
2. Проаналiзовано вплив шорсткосп на картини течи в дшянщ мюько! забудови. Шорсткiсть було задано величиною ks = 29,6 м. Спостертаються змiни в темпе-ратурi бiля поверхнi Землi й будинюв, що, схоже, пов'язано 3i зменшенням швидкостi поблизу поверхонь.
Лiтература
1. Blocken B. Computational Fluid Dynamics for urban physics: Importance, scales, possibilities, limitations and ten tips and tricks towards accurate and reliable simulations / B. Blocken // Building and Environment. - 2015. - V. 91. -P. 219-245.
2. Солодов В. Г. Модель переноса атмосферных загрязнений в полосе насаждений возле автомобильной дороги. / В. Г. Солодов, А. Г. Аве-ршин //Автомобиль и электроника. Современные технологии. - 2018. - № 13. - С. 98-107.
3. Солодов В. Г. Перенос примеси в приземном слое автомобильной дороги в условиях боковой ветровой эпюры / В. Г. Солодов, А. Г. Авершин // Науков1 пращ М1жнародно! науково-практично! конференцп «Новггш технологи розвитку автомобшьного транспорту», 16-19 жовтня 2018 р., м. Харшв. - Х.: ФОРТ, 2018. - С. 325-328.
4. Hedquist B. C. Seasonal variability of temperatures and outdoor human comfort in Phoenix, Arizona, USA / Hedquist B. C., Brazel A. J. // Building and Environment. -2014. - V. 72. - P. 377-388.
5. Toparlar Y. A review on the CFD analysis of urban microclimate / Toparlar, Y., Blocken, B., Maiheu, B., Van Heijst, G. J. F. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2017. - V. 80. -P. 1613-1640.
6. Garssen J. The effect of the summer 2003 heat wave on mortality in the Netherlands / Garssen J., Harmsen C., Beer J. // Eurosurveillance. -2005. - V. 10. - № 7-9. - P. 165-167.
7. Yang X. The urban cool island phenomenon in a high-rise high-density city and its mechanisms / Yang, X., Li, Y., Luo, Z., & Chan, P. W. // International Journal of Climatology. - 2017. -V. 37. - № 2. - P. 890-904.
8. Arnfield A. J. Two decades of urban climate research: a review of turbulence, exchanges of energy and water, and the urban heat island / Arnfield A. J. // International journal of climatology. - 2003. - V. 23. - № 1. - P. 1-26.
9. Oke T. R. Simulation of surface urban heat islands under 'ideal'conditions at night Part 2: Diagnosis of causation / Oke, T. R., Johnson, G. T., Steyn, D. G., & Watson, I. D. // Boundary-
Layer Meteorology. - 1991. - V. 56. - № 4. -P. 339-358.
10. Georgakis C. Studying the effect of «cool» coatings in street urban canyons and its potential as a heat island mitigation technique / Georgakis C., Zoras S., Santamouris M. // Sustainable Cities and Society. - 2014. - V. 13. -P. 20-31.
11. Rosenfeld A. H. Cool communities: strategies for heat island mitigation and smog reduction / Rosenfeld, A. H., Akbari, H., Romm, J. J., & Pomerantz, M. // Energy and Buildings. - 1998. -V. 28. - № 1. - P. 51-62.
12. Mochida A. Prediction of wind environment and thermal comfort at pedestrian level in urban area / Mochida A., Lun I. Y. F. // Journal of wind engineering and industrial aerodynamics. -2008. - V. 96. - № 10-11. - P. 1498-1527.
13. Offerle B. Temporal variations in heat fluxes over a central European city centre / Offerle, B., Grimmond, C. S. B., Fortuniak, K., Klysik, K., & Oke, T. // Theoretical and applied climatology. -2006. - V. 84. - № 1-3. - P. 103-115.
14. Mei S. J. Thermal buoyancy driven canyon airflows inside the compact urban blocks saturated with very weak synoptic wind: Plume merging mechanism / Mei, S. J., Hu, J. T., Liu, D., Zhao, F. Y., Li, Y., Wang, H. Q. // Building and Environment. - 2018. - V. 131. - P. 32-43.
15. Chernetskaya-Beletskaya N. Study on the coal-water fuel pipeline transportation taking into account the granulometric composition parameters / N. Chernetskaya-Beletskaya, A. Rogovyi, A. Shvornikova, I. Baranov, M. Miroshnikova, N. Bragin // International Journal of Engineering & Technology. - № 7 (4.3). - 2018. - Р. 240-245.
16. Сёмин Д. А. Математическое моделирование рабочих процессов безроторных центробежных насосов / Д. А. Сёмин, А. С. Роговой // Вь сник СНУ iм. В. Даля. - Луганськ: Вид-во Схщноукр. нац. ун-ту iм. В. Даля. - № 5 (159). - Ч.1 - 2011. - С. 338-344.
17. Menter F. R. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications / F. R. Menter // AIAA Journal. -1994. - V. 32 (8). - P. 1598-1605.
18. Rogovyi A. Energy performances of the vortex chamber supercharger / A. Rogovyi // Energy -№ 163. - 2018. - Р. 52-60.
19. Menter F. R. Zonal Two Equation k-ю Turbulence Models for Aerodynamic Flows / F. R. Menter // AIAA Paper, - 1993. - P. 29062920.
20. Rogovyi A. Use of detached-eddy simulation method (DES) in calculations of the swirled flows in vortex apparatuses /A.Rogovyi // Teka Komisji Motoryzacji i Energetyki Rolnictwa. - 2016. -Vol. 16. - № 3. - P. 57-62.
21. Rogovyi A. Application of the similarity theory for vortex chamber superchargers / A. Rogovyi, S. Khovanskyy // IOP Conf. Series: Materials
Science and Engineering - № 233 (2017). -2017. - pp. 012011.
22. Tominaga Y. AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings /Tominaga, Y., Mochida, A., Yoshie, R., Kataoka, H., Nozu, T., Yoshikawa, M., Shirasawa, T. // Journal of wind engineering and industrial aerodynamics. -2008. - V. 96. - № 10-11. - P. 1749-1761.
References
1. Blocken B. (2015) Computational Fluid Dynamics for urban physics: Importance, scales, possibilities, limitations and ten tips and tricks towards accurate and reliable simulations. Building and Environment, 91, 219-245.
2. Solodov V.G., Avershin A.G. (2018) Model' perenosa atmosfernykh zagryaznenii v polose nasazhdenii vozle avtomobil'noi dorogi [Model of atmospheric pollution transfer in the belt of plantings near the highway]. Avtomobil' i elektronika. Sovremennye tekhnologii, 13, 98107. http://veit.khadi.kharkov.ua/article/view/ 151289/150287 [in Russian].
3. Solodov V.G., Avershin A.G. (2018) Perenos primesi v prizemnom sloe avtomobil'noi dorogi v usloviyakh bokovoi vetrovoi epyury [The transfer of impurities in the surface layer of the road in the conditions of the lateral wind epure]. Naukovi pratsi Mizhnarodnoyi naukovo-praktychnoyi konferentsiyi «Novitni tekhnolohiyi rozvytku avtomobil'noho transportu», 16-19 zhovtnya 2018 r., m. Kharkiv. Kharkiv: «FORT», 325-328 [in Russian].
4. Hedquist B.C., Brazel A.J. (2014) Seasonal variability of temperatures and outdoor human comfort in Phoenix, Arizona, USA. Building and Environment, 72, 377-388.
5. Toparlar, Y., Blocken, B., Maiheu, B., Van Heijst, G. J. F. (2017) A review on the CFD analysis of urban microclimate. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 80, 1613-1640.
6. Garssen J., Harmsen C., Beer J. (2005) The effect of the summer 2003 heat wave on mortality in the Netherlands. Eurosurveillance, 10 (7-9), 165167.
7. Yang, X., Li, Y., Luo, Z., & Chan, P. W. (2017) The urban cool island phenomenon in a high-rise high-density city and its mechanisms.
International Journal of Climatology, 37 (2), 890-904.
8. Arnfield A. J. (2003) Two decades of urban climate research: a review of turbulence, exchanges of energy and water, and the urban heat island. International journal of climatology, 23 (1), 1-26.
9. Oke, T. R., Johnson, G. T., Steyn, D. G., & Watson, I. D. (1991) Simulation of surface urban heat islands under 'ideal'conditions at night Part 2: Diagnosis of causation. Boundary-Layer Meteorology, 56 (4), 339-358.
10. Georgakis C., Zoras S., Santamouris M. (2014) Studying the effect of «cool» coatings in street urban canyons and its potential as a heat island mitigation technique. Sustainable Cities and Society, 13, 20-31.
11. Rosenfeld, A. H., Akbari, H., Romm, J. J., & Pomerantz, M. (1998) Cool communities: strategies for heat island mitigation and smog reduction. Energy and Buildings, 28(1), 51-62.
12. Mochida A., Lun I. Y. F. (2008) Prediction of wind environment and thermal comfort at pedestrian level in urban area. Journal of wind engineering and industrial aerodynamics, 96 (1011), 1498-1527.
13. Offerle, B., Grimmond, C. S. B., Fortuniak, K., Klysik, K., & Oke, T. (2006) Temporal variations in heat fluxes over a central European city centre. Theoretical and applied climatology, 84 (1-3), 103-115.
14. Mei, S. J., Hu, J. T., Liu, D., Zhao, F. Y., Li, Y., Wang, H. Q. (2018) Thermal buoyancy driven canyon airflows inside the compact urban blocks saturated with very weak synoptic wind: Plume merging mechanism. Building and Environment, 131, 32-43.
15. Chernetskaya-Beletskaya N., Rogovyi A., Shvornikova A., Baranov I., Miroshnikova M., Bragin N. (2018) Study on the coal-water fuel pipeline transportation taking into account the granulometric composition parameters. International Journal of Engineering & Technology, (4.3), 240-245.
16. Syomin D.O., Rogovyi A.S. (2011) Matematicheskoe modelirovanie rabochikh protsessov bezrotornykh tsentrobezhnykh nasosov [Mathematical modeling of centrifugal pump without a rotor working process]. Visnyk SNU im. V.Dalya. Luhans'k, 5 (159 Ch.1), 338344 [in Russian].
17. Menter F.R. (1994) Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications. AIAA Journal, 32(8), 1598-1605.
18. Rogovyi A. (2018) Energy performances of the vortex chamber supercharger. Energy, 163, 5260.
19. Menter F.R. (1993) Zonal Two Equation k-ra Turbulence Models for Aerodynamic Flows. AIAA Paper, 2906-2920.
20. Rogovyi A. (2016) Use of detached-eddy simulation method (DES) in calculations of the swirled flows in vortex apparatuses. Teka Komisji Motoryzacji i Energetyki Rolnictwa, 16(3), 5762.
21. Rogovyi A., Khovanskyy S. (2017) Application of the similarity theory for vortex chamber superchargers. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 233, 012011.
22. Tominaga, Y., Mochida, A., Yoshie, R., Kataoka, H., Nozu, T., Yoshikawa, M., Shirasawa, T. (2008) AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around
buildings. Journal of wind engineering and industrial aerodynamics, 96 (10-11), 1749-1761.
Роговий Андрш Сергшович1, д.т.н., проф. кафе-дри теоретично! мехашки та гiдравлiки, тел. +38-057-707-37-30, e-mail: [email protected]. 1Харк1вський нацiональний автомобшьно-дорожнш унiверситет, 61002, Укра!на, м. Харшв, вул. Ярослава Мудрого, 25.
Исследование эффекта теплового острова в городе Харьков
Аннотация. На основе численного моделирования уравнений течения воздуха, уравнений тепло-переноса с учетом солнечной радиации исследовано проявление эффекта «теплового городского острова» на примере участка городской застройки г. Харькова. Получены картины изменения температуры воздуха в разное время в течение суток.
Ключевые слова: тепловой городской остров, теплоперенос, городская застройка, модель турбулентности, солнечная радиация.
Роговой Андрей Сергеевич1, д.т.н., проф. кафедры теоретической механики и гидравлики, тел. +38-057-707-37-30, e-mail: [email protected]. Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, 61002, Украина, г. Харьков, ул. Ярослава Мудрого, 25.
Investigation of the effect of a thermal island in Kharkiv
Abstract. Problem. One of the main problems that attracts the attention of researchers is a change in the urban microclimate, which is commonly referred to as the «effect of the urban heat island». Such an effect has already been investigated in many cities, but for cities in post-Soviet countries they have not yet been conducted. Goal. The goal of this work is to detect the effect of the heat island in Kharkiv and its research. Methodology. A mathematical modeling was carried out to evaluate design decisions aimed at
improving the heat island's appearance in the city, including simulation of air flow, heat transfer and radiation equation. The flow of buildings and constructions within the city with allowance for heat transfer is characterized by unsteadiness, energy non-equilibrium, and large-scale diffusion, which is conditioned by the presence of large coherent structures. The calculation is made on the basis of solving the non-stationary Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. Results. The picture of changes in the temperature of air at different times during the day is obtained. The confirmation of the presence of the effect of the "heat island" in Kharkiv, with a temperature increase of 2-4 °C , in comparison with the rural, has been obtained. The influence of roughness on the patterns of the flow in the field of urban development is analyzed. The roughness was given by the value of ks = 29,6 m. There are changes in temperature near the surface of the earth and buildings, which apparently is associated with a decrease in velocity near the surfaces. Originality. For the first time, calculations were made for Kharkiv, which made it possible to determine the heat island manifestation and to improve the microclimate research. Practical value. Mathematical modeling of heat transfer processes taking into account solar radiation allows us to investigate the interrelated problems of urban physics. In particular, the optimization of air temperature in large cities should be based on the results obtained, which will allow to more accurately determine the temperature fields and reduce their impact on human health.
Key words: heat urban island, heat transfer, urban development, turbulence model, solar radiation.
Rogovyi Andrii1, professor, Doct. Of Science, Theoretical Mechanics and Hydraulics Department, tel. +38-057-707-37-30, e-mail: [email protected]. 1Kharkiv National Automobile and Highway University, 25, Yaroslava Mudrogo str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
