CC BY
11ОБЗОР МЕТОДИК ОЦЕНИВАНИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ СОВРЕМЕННОГО
ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ENVI-MET И ANSYS CFX
Кузякина М.В., Терновой Е.А., Даишева А.М.
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет», Краснодар, Россия
Аннотация
В настоящее время моделирование климатических процессов для дальнейшего устойчивого планирования городской застройки является одной из наиболее актуальных тем для обсуждения. В данной статье рассмотрены программные обеспечения, использующиеся для решения данных задач.
Ключевые слова: микроклимат, ENVI-met, ANSYS, ветровые процессы.
В условиях городской среды влияние ветровых процессов ослаблено вследствие увеличения высотной застройки, озеленения и других факторов, препятствующих движению ветра [2]. В связи с этим, в южных городах климат характеризуется жарой и штилем [3]. Таким образом, одной из важнейших задач по решению проблемы аэродинамических процессов в городе является формирование местных ветров посредством изменения термических и инверсионных процессов, изменения характера подстилающей поверхности, распределения водоемов и насаждений, создания термических очагов тепла/прохлады.
В наше время происходит постоянное изменение климата, в особенности микроклимата городских территорий [4]. Под микроклиматом подразумевают климат небольшой территории, который возникает при воздействии атмосферных процессов, антропогенной деятельности, характера рельефа. Особенности микроклимата имеют условные границы: 100 метров -вертикальная граница и 10 километров - горизонтальная граница. Одним из наиболее важных процессов является ветровая циркуляция. Ветровые процессы непосредственно связаны с другими климатообразующими факторами
(солнечная радиация, температура воздуха, относительная влажность, географическая широта, рельеф местности, характер подстилающей поверхности, абсолютные и относительные высоты и пр.) в пределах рассматриваемой территории [2, 3].
БКУ1-ше1 - это прогностическая модель, основанная на фундаментальных законах гидродинамики и термодинамики. С ENVI-met возможно моделировать городской микроклимат в виде интерактивной системы, состоящей из десятков динамических подсистем, начиная от динамики атмосферы, физики почвы, реакции растительности и заканчивая климатом в помещении. Все системы, от гидрологии почвы до моделирования энергопотребления зданий, рассчитываются в одной большой модели, например, в городском квартале, что позволяет им взаимодействовать и адаптироваться, как это делает реальная экологическая система. Система Е№У1-met предоставит данные с высоким разрешением для любого из этих компонентов, будь то одно здание из 500 или одно дерево в пределах 1500 деревьев.
Для построения модели и создания симуляции городского микроклимата программное обеспечение использует математические и физические расчеты.
Расчет модели включает в себя:
- Потоки коротковолнового и длинноволнового излучения в отношении затенения, отражения и переизлучения от строительных систем и растительности
- Транспирация, испарение и поток явного тепла от растений в воздух, включая полное моделирование всех физических параметров растений.
- Расчет динамической температуры поверхности и температуры стен для каждого фасада и элемента крыши, поддерживающего до 3 слоев материалов и 7 расчетных точек в стене / крыше.
- Водо- и теплообмен внутри почвенной системы, включая поглощение воды растениями.
- Трехмерное изображение растительности, включая динамическое моделирование водного баланса отдельных видов.
- Дисперсия газов и частиц. Модель поддерживает частицы (включая осаждение и осаждение на листьях и поверхностях), инертные газы и химически активные газы цикла реакции NO-NO2-озон.
- Расчет биометеорологических показателей, таких как средняя радиационная температура, PMV / PPD, PET или UTCI через BioMet.
Поле ветра ENVI-met включает полную трехмерную модель вычислительной гидродинамики (CFD). Он решает усредненные по Рейнольдсу негидростатические уравнения Навье-Стокса (1) для каждой сетки в пространстве и для каждого временного шага. Влияние растительности учитывается как силы сопротивления в поле ветра. Для детального моделирования строительной физики рассчитывается ветровой поток вблизи каждого фасада и сегмента крыши. С помощью новой функции «Одинарная стена» также можно моделировать структуру ветра внутри сложных или полуоткрытых конструкций.
Ветровой поток обновляется через заданные промежутки времени. ENVI-met также поддерживает расчет потока в реальном времени, что означает, что поле потока рассматривается как нормальная прогностическая переменная и рассчитывается на каждом этапе. Из-за того, что здесь требуются очень маленькие временные шаги, этот способ расчета требует очень мощных компьютеров.
Температура и удельная влажность воздуха определяются различными источниками и приемниками явного тепла и пара внутри области модели. На основе рассчитанного трехмерного поля ветра моделируется адвекция и диффузия в воздухе. Поверхность земли и листья растений действуют как
PUJT— = Р1г + Т—
OXj OXj
диг - д
Ti, —L = nf . -1--
- ри[и'- .
(1)
источники или поглотители как температуры, так и влажности в модели атмосферы. Стены и крыши зданий в основном действуют как поверхности, обменивающиеся теплом с атмосферой, но также могут выступать в качестве источников влажности, если применяется озеленение фасадов или крыш.
Турбулентность рассчитывается с использованием замыкания порядка Е-epsilon 1.5 (модель «Е-ерэйоп» или «к-ерэйоп»). Два прогностических уравнения для производства турбулентной энергии (Е) и ее диссипации (эпсилон) используются для моделирования распределения турбулентной энергии. Коэффициенты обмена (К) в воздухе рассчитываются с использованием соотношения Прандтля-Колмогорова. В условиях слабого ветра модель длины смешения 1 -го порядка может использоваться вместо модели E-epsilon (которая часто не работает в этих ситуациях).
ENVI-met использует так называемую модель кинетической энергии турбулентности (ТКЕ) с двумя уравнениями для прогнозирования турбулентности в воздухе.
Уравнение (2) описывает распределение кинетической энергии (Е) в воздухе в зависимости от производства, адвекции, диффузии и разрушения:
QE{x,y,z)-e. (2) Уравнение (3) аналогично, но описывает скорость рассеивания ТКЕ (е или eps):
де де де де д де\ д де\ д („ де\ д^ + ^ дд + ^ ~ду ~дт.= дд (Ке дд) + ~ду (Ке ду) + ~дг (Ке ~дг} +
ду дг дх V е дх) ду V е ду е ът (о (ди\2 . (ди . ду\2 ^у д^^ /ду\2 (ду дш\2 (дыХ2)
С1еЕЕКт{2[дГд) +(д-у+ддд) + [дУ + ддд) +2[ду) +[Тг + ^ +2(1Гг)\-
С3 еX^KЪl¿-C2еX2+QE(X,У,Z)-e. (3)
Наконец, коэффициент турбулентного обмена Кт (4) является результатом обоих:
Е2
Km = Cil~ (4)
Поскольку результат уравнения TKE-s Кт используется в качестве входных данных для следующего цикла вычислений, существует нелинейный контур обратной связи между коэффициентом турбулентного обмена и уравнением TKE-s. Как только Кт станет нестабильным, система уравнений TKE-s также станет нестабильной, создавая еще более нестабильные Кт в следующем цикле.
Чтобы избежать численных проблем, в ENVI-met были введены несколько механизмов, делающих модель турбулентности более надежной:
- Двухэтапные вычислительные циклы (инициализация);
- Интеллектуальный поиск и устранение неисправностей с помощью расслабления;
- Ограничение диапазона.
ENVI-met - это набор из нескольких автономных приложений для различных этапов и задач рабочего процесса. Основные приложения, используемые для моделирования в ENVI-met: Monde - Это редактор мира ENVI-met, позволяющий оцифровывать вектор площади модели перед его экспортом в файл .INX; Spaces - инструмент, позволяющий оцифровать область вашей модели непосредственно в программе или оптимизировать область модели, ранее созданную в Monde или других программах; ENVI-quide -инструмент, отвечающий за настройку климатических параметров модели; BIO-met - расчетный модуль индексов комфорта человека на основе данных моделирования; Leonardo - приложение для анализа полученных данных; Albero - инструмент для создания и редактирования параметров древесной растительности; DB Manager - приложение для редактирования и создания поверхностей зданий, дорог, почв.
ANSYS CFX - представляет собой мощную и надежную технологию расчетов в области вычислительной гидрогазодинамики [5]. Пакет ANSYS CFX совмещает в себе передовую технологию решателя с современным
пользовательским интерфейсом и адаптивной архитектурой, что делает этот инструмент доступным как для разработчиков, владеющих общими инженерными знаниями, так и для специалистов в области гидродинамики, работающих с моделью и ее свойствами на глубоком уровне. CFX позволяет детально изучить оборудование и процессы изнутри, повысить эффективность, увеличить срок службы и оптимизировать процессы. Пакет ANSYS CFX обладает расширенным набором разнообразных математических моделей, позволяющих с высокой точностью моделировать различные задачи, начиная с расчета течения жидкостей и газов в трубопроводах и проточных трактах турбомашин и заканчивая моделированием тепломассобмена в сложных термогазодинамических процессах в струйных и пленочных многокомпонентных течениях или моделированием ламинарно-турбулентного перехода в задачах внешней аэродинамики. Сердцем модуля ANSYS CFX является передовой алгебраический многосеточный сопряженный решатель, использующий технологию Coupled Algebraic Multigrid, являющуюся ключом к получению точных результатов в короткие сроки. Параметры решателя, граничные условия могут быть скорректированы во время выполнения расчета, при этом нет необходимости останавливать решатель. Решатель ANSYS CFX использует схему дискретизации второго порядка по умолчанию, обеспечивая получение максимально точных результатов. Использование технологии сопряженных решателей ANSYS CFX дает значительные преимущества при проведении любого расчета, неважно, для вращающихся машин, многофазных потоков, горения или для любой другой физической модели и позволяет получить устойчивые и масштабируемые решения для задач динамики жидкостей и газов.
В программе заложены следующие подходы к моделированию турбулентности:
- Large Eddy Simulation - LES (моделирование крупных вихрей): этот подход является вторым по трудоемкости из существующих после DNS. Идея подхода состоит в «фильтрации» характеристик турбулентного течения от
коротковолновых неоднородностей - пространственном осреднении по областям с размерами порядка фильтра. Таким образом, вихревые структуры размерами, превышающими размеры фильтра, решаются «точно», а для вихревых структур меньших размеров используются «подсеточные» модели турбулентности.
- Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes - RANS / URANS (осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса): подход основан на разложении скорости на осредненную во времени и пульсационную составляющие. В результате соответствующих преобразований уравнений Навье-Стокса появляются дополнительные неизвестные (сдвиговые «рейнольдсовы» напряжения).
- Detached Eddy Simulation - DES (метод моделирования отсоединенных вихрей): этот подход является комбинацией LES и RANS. Он заключается в том, что отсоединенные энергонесущие вихри в отрывных зонах моделируются подходом LES, а области присоединенных пограничных слоев моделируются подходом RANS.
Рекомендуемая приоритетность подходов и моделей турбулентности для аэродинамических исследований такова: - подход URANS / RANS моделью турбулентности SST или SAS-SST для зданий и сооружений сложных форм и/или их комплексов. - подход DES для тех же зданий и сооружений при наличии достаточных вычислительных ресурсов. - подход LES для отдельных конструкций и зданий простых форм при наличии значительных вычислительных ресурсов.
Основные инструменты программного модуля CFX: Geometry - элемент модуля, используемый для импорта и создания геометрии; Mesh - инструмент для настройки плотности сетки рабочей модели; Setup - приложение блока, отвечающее за настройку входных параметров; Solution - инструмент для настройки процесса моделирования; Results - элемент модуля для визуализации полученных данных.
Для тестирования данных программных обеспечений был выбран в качестве тестового участка район КубГУ, расположенный по улице Ставропольской 149. Город Краснодар характеризуется мягкой континентальностью, теплой зимой и жарким летом [6]. Рельеф города равнинный с незначительными поднятиями 20-30 метров над уровнем моря. Летние месяцы характеризуются высокими среднесуточными температурами, маловетреной или штилевой погодой.
Рисунок 1 - Расчет в программе А№УБ Были визуализированы полученные данные в процессе расчетов в двух программных обеспечениях. Результаты расчетов в программе А№УБ представлены на рисунке 1 и 2, отображающих скорость ветра векторами и изолиниями в пределах выбранного тестового участка.
Рисунок 2 - Расчет в программе ANSYS
Рисунок 3 - Расчет в программе ENVI-met Результаты расчетов в программе ENVI-met представлены на рисунке 3 и 4, отображающих температуру воздуха и скорость ветра векторами в пределах выбранного тестового участка на высоте 1.5 м и в разрезе.
Рисунок 4 - Расчет в программе ENVI-met
Таким образом, можно утверждать, что данные программные обеспечения полностью подходят для исследования ветровых процессов в черте города, а также других климатических процессов.
Библиографический список
1. Yannick Back, Prashant Kumar, Peter M. Bach, Wolfgang Rauch, Manfred Kleidorfer. Integrating CFD-GIS modelling to refine urban heat and thermal comfort assessment // Science of The Total Environment. 2022. № 858. ISSN 00489697.
2. Hayder Alsaad, Maria Hartmann, Rebecca Hilbel, Conrad Voelker. ENVI-met validation data accompanied with simulation data of the impact of facade greening on the urban microclimate // Data in Brief. 2022. № 42. ISSN 2352-3409.
3. Aiza Cortes, Arnold Jesfel Rejuso, Justine Ace Santos, Ariel Blanco. Evaluating mitigation strategies for urban heat island in Mandaue City using ENVI-met // Journal of Urban Management. 2022. № 11. ISSN 2226-5856.
4. Peter J. Crank, Ariane Middel, Melissa Wagner, Dani Hoots, Martin Smith, Anthony Brazel. Validation of seasonal mean radiant temperature simulations in hot arid urban climates // Science of The Total Environment. 2020. № 749. ISSN 0048-9697.
5. Архитектурно-строительная аэродинамика : учебное пособие / О.И. Поддаева, А.С. Кубенин, П.С. Чурин ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Нац. исследоват. Моск. гос. строит. ун-т. Москва : НИУ МГСУ, 2015. 88 с.
6. Швер Ц. А. КЛИМАТ Краснодара / Швер Ц. А., Павличенко Т. И. -Ленинград, 1990. - 58с.
