BUILDING AERODYNAMICS BME GEÁT MW08
Flow around buildings Pollutant dispersion
Dr. Goricsán István, 2008 Balczó Márton, Balogh Miklós, 2009 Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Áramlástan Tanszék
1
DESCRIPTION OF BOUNDARY LAYERS
2
Figure based on: Stull, Ahrens, Meteorology for Scientists and Engineers
DESCRIPTION OF BOUNDARY LAYERS
• Roughness layer directly influenced by building • Upper layers „feel” only a homogeous roughness at their bottom level
3
Figure based on: Stull, Ahrens, Meteorology for Scientists and Engineers
DESCRIPTION OF BOUNDARY LAYERS
u* z − d0 u (z) = ⋅ ln( ) κ z0
• Lower 10-20 % - logarithmic profile
τ = const . ⇒ u * = const . • Power law
z − d0 u (z) = u ref z ref − d 0
α – exponent [0.08 – 0.4] z0 – roughness length [10-5 – 2m] d0 – displacement height [0 – 0.75H]
4
α
Surface category
smooth
medium
rough
very rough
description
Ice, snow, calm water
Farmland, grass
Suburban area, groves
Forests, urban area
z0 [m]
10-5 – 5⋅10-3
5⋅10-3 – 10-1
0.1 – 0.5
0.5 - 2
a [-]
0.08 – 0.12
0.12 – 0.18
0.18 – 0.24
0.24 – 0.4
≈0
≈0
≈0.75⋅h
≈0.75⋅h
d0 [m]
FLOW AROUND BUILDINGS Question • Wind conditions around the building • Wind forces on the building’s surface (pressure distribution)
5
FLOW AROUND SHARP EDGED BUILDINGS Total pressure: Maxpressure in the stagnation point:
p total
ρ 2 = p stat + u = áll. 2 ρ 2 ∆p max = u 2
Pressure coefficient:
∆p cp = = +1.... − 3 ρ 2 u 2 Determination of Cp:: • On-site measurement • Wind tunnel measurement • CFD simulation • standards 6
FLOW AROUND A SHARP-EDGED BUILDING
• Overpressure at the front • -dp at upper and side surfaces! (separation bubble) • behind: low pressure, small wind velocities • Horseshoe vortex • Building influence: up to 3-10H distance 7
SILSOE-CUBE
• 6m height, turnable • 32 pressure measurement points • Wind measurements around the building
8
SILSOE-CUBE
wind tunnel measurement
9
on-site measurement
Richards, P.; Hoxey, R.; Connell, B. & Lander, D.: Wind-tunnel modelling of the Silsoe Cube Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, The Fourth European and African Conference on Wind Engineering, 2007, 95, 1384-1399
TALL BUILDING
link
10
BUILDING WITH ROUNDED CORNERS
Z
Budapest Arena - WIND DIRECTIONS
Z
X 120
090
150
LEFT 060
180
REAR TOP 0 -20
origin
FRONT 0 -10
X
210
100 ] [mm
,y gth 0 len del mo
0
000
400
300
RIGHT 200
10
m] 0 x [m h, idt lw de mo
0 -10
20 0
-20
30
240
0
0 -30
0
180 fok
Y
0
11
030
-30
Cp MEAS 0.75 0.68 0.61 0.55 0.48 0.41 0.34 0.28 0.21 0.14 0.07 0.01 -0.06 -0.13 -0.20 -0.26 -0.33 -0.40 -0.47 -0.53
330 300
270
FLOW STRUCTURES • Wind from the left • Horseshoe vortex in front of the building • Separation bubble behind
12
FLOW IN STREET CANYONS • Road surrounded by buildings • A vortex develops when flow comes from a perpendicular direction Small velocities in the canyon Rosszabb átszellızés, nagyobb szennyezıkoncentráció
13
FLOW IN STREET CANYONS • Nem merıleges széliránynál helikális örvények • Leválási zónák kölcsönhatása erısen turbulens áramlás • Inhomogén légszennyezettség-eloszlás
14
FLOW IN CASE OF A CITY DISTRICT
15
Sand erosion test in wind tunnel •
•
•
a. b. c. d.
A vizsgált felületre szórt homokszemcsék elhordása a helyi sebesség és a turbulencia jellemzıje Az átlagos átszellızés mértékét a homok elhordásának mérésével határozzuk meg A homokszemcsék átmérıje 250-300 µm
b.
a.
A feketére festett modell Homokelhordás síklapról A homokkal fedett modell Modell a homokerózió vizsgálat után c.
d. BME Áramlástan Tanszék 2003
Determination of wind climate I. •Pictures taken at different wind velocity from the same position and same size and resolution ⇒ black and white image •Mask: investigated area is transparent other is black (colour code: Icc= 0)
•Difference image (ref-v≠0m/s, buildings and area covered by sand are black, Icc= 0, streets and other surfaces where the sand particles are removed became white Icc= 255) •The mean and relative mean intensity (RMI) can be calculated BUTE Dept. of Fluid Mechanics 2004
18
Determination of wind climate II. 0.8 NNE without CC 0.7
N pixel
NNE with CC E without CC
0.6
I DP =
E with CC
relative mean intensity [-]
SWSSW without CC SWSSW with CC
0.5
∑I i =1
cci
N pixel
W without CC W with CC 0.4
NWNNW without CC NWNNW with CC
0.3
I DP RMI = I ref
0.2
0.1
0 0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
1.15
1.20
1.25
1.30
discomfort parameter [-]
Annual incidence
Variation
of wind direction
of wind velocity
NW NNW
19 %
-4.5 %
NNE
16 %
-2.7 %
E
14 %
-6.4 %
SW SSW
13 %
-8.5 %
9%
-19 %
W ind direction
Equal relative mean intensity means equal wind comfort (equal area covered by sand).
W Annual m ean
-7 %
BUTE Dept. of Fluid Mechanics 2004
LÉGSZENNYEZETTSÉG Természetes és emberi eredető anyagok a levegıben: • Gázok összetétel szerint: NO, CO, NO2, SO2, O3, HC, • Szilárd részecskék méret szerint: TSPM, PM10, PM2.5, nanorészecskék Mértéke: szennyezıkoncentráció [mg/m3], [µg/m3], [ppm] (part per million) • • • •
Emisszió: kibocsátás Transzmisszió: tovaterjedés (Konverzió: kémiai átalakulás) Immisszió: adott helyen észlelt légszennyezettségi állapot
Légszennyezettség meghatározása: • Csak mérés … • Mérés és modellezés kombinációja … • Teljes modellezés
20
LÉGSZENNYEZETTSÉG HELY SZERINTI VÁLTOZÁSA Meteorológiai skála: makro (globális) > mezo > mikro
>
21
regionális
>
városi
>
mikro
LÉGSZENNYEZETTSÉG HELY SZERINTI VÁLTOZÁSA
22
LÉGSZENNYEZETTSÉG IDİBELI VÁLTOZÁSA • Napi, heti, évszakos változás • Ok: kibocsátás változása, nagytávolságú transzport, meteorológiai viszonyok
A NOx, NO2 és PM10 szennyezettség átlagos heti menete a Budapest, Erzsébet téri mérıállomáson
23
SZENNYEZİANYAG-TERJEDÉSI JELENSÉGEK Emisszió Transzmisszió (konverzió) Immisszió Elsı jelentıs szennyezıforrások: ipari kibocsátások, kémények füstfáklyák viselkedésének vizsgálata analítikus megoldás – empírikus formulák
24 24 20
with the kind permission of Geoff Spivey, 2007
Téglagyár kéményébıl kilépı füstfáklya (Stewartby, Anglia)
SZENNYEZİANYAG-TERJEDÉSI JELENSÉGEK • Effektív kéménymagasság > kéménymagasság • Terjedés a fı áramlás irányába • Fáklya szélesedése: turbulens diffúzió • Az idıbeli átlag Gauss-eloszlással írható le
25 25 20
Forrás: E. J. Plate (ed.): Engineering Meteorology Elsevier 1982
FÜSTFÁKLYA MODELLEK (GAUSS-MODELL)
H
Folytonos pontforrás Stacioner kibocsátás −
Q C(x, y, z) = ⋅e 2 ⋅ π ⋅ σy ⋅ σz ⋅ u
H
y2 2⋅σ2y
(z+H) −(z−H2) − 2⋅σz 2⋅σ2z ⋅ e +e 2
2
− λ⋅x ⋅e u
h
•Stacioner állapot •Sík felszín feletti terjedés •Átlagos szélsebesség •Állandó érdesség •50km távolságig mőködik
NUMERIKUS SZIMULÁCIÓ
szennyezıanyag-terjedés számítása Áramlástani numerikus szimuláció
NUMERIKUS SZIMULÁCIÓ szennyezıanyag-terjedés számítása Áramlástani numerikus szimuláció Szennyezıanyag-terjedés számítása A szennyezıanyagokat a örvénylı levegı viszi magával és keveri el. A terjedési egyenlet a szélmezı ismeretében megoldható.
3. Elızetes megfontolások Terjedés osztályozása városi környezetben e)
utca örvény hatás: kétoldalt viszonylag magas, összefüggı épületekkel határolt utcában szennyezıanyag keletkezik, és az utca tengelyével közel derékszöget bezáró megfúvás esetén egy nagy örvény alakul ki. Az örvény a közlekedési szennyezıt a szél felıli oldal irányába szállítja, így itt sokkal nagyobb koncentráció keletkezik, mint az utca másik oldalán.
f)
az áramlás felemelése: a szélirányra közel merıleges összefüggı épületsorok egymás után nem túl nagy távolságban felemelik a szennyezıt szállító levegıáramlást. Ez kedvezı, ha az utcában nincs kibocsátás, ha van, lassíthatja az utcákban lévı, nagy koncentrációjú levegı hígulását. BME Áramlástan Tanszék 2003
3. Elızetes megfontolások A terjedés osztályozása városi környezetben a) távoli forrás hatás: a szennyezı forrás szélirányban távol helyezkedik el, a szennyezıanyag nagy levegımennyiségben keveredik el. Kis koncentráció értékek, helyi viszonyok nem befolyásolják. b) közeli forrás hatás: a szennyezı forrás a mintavételi helyhez közelében van, hatása a helyi áramlási viszonyoktól függıen közvetlenül érvényesül: nagy koncentráció lehetséges. A helyi áramlási viszonyokra igen érzékeny.
c) utca csatorna hatás: ha kétoldalt viszonylag magas, összefüggı épületekkel határolt utcában szennyezıanyag keletkezik, az utca tengelyével <45-os szöget bezáró szélirány esetén az utca tengelyével párhuzamos áramlás indul meg mintegy összegyőjti az utcában keletkezı szennyezıanyagot: a koncentráció az utca hossza mentén növekszik. BME Áramlástan Tanszék 2003
A megoldott egyenletek Kontinuitás
1
Reynolds-átlagolt Navier-Stokes egyenlet (RANS)
3
(idıfüggı, turbulens áramlás modellezése)
K-ε turbulenciamodell* (Kato-Launder (1996) módosított )
A megoldott egyenletek E és ε meghatározására a turbulencia-modell további 2 egyenletet ad hozzá az eddigiekhez (felírásuktól most eltekintünk)
2
Σ6
Egyenletek száma: Ismeretlenek száma: u, v, w, p’, E, ε = 6 Tehát cellánként 6 egyenlet, 6 ismeretlen ► megoldható T.f.h. u, v, w és Km minden pontban ismert: ► terjedésszámítás Terjedésmodell:
1 m : koncentráció [kg/m3] Q : forrás tömegárama [kg/s]
Peremfeltételek Az áramlási tér határain számszerően meg kell adnom egyes változók értékeit pld: • Belépı oldalfalon a belépı szélsebesség és a turbulencia profilját • Felül azt adom meg, hogy a sebesség párhuzamos a „plafonnal” • A házak és a földfelszín felületén 0 a sebesség • Kilépı oldalfalakon a sebesség megváltozása a felület normálisa irányában 0. • A terjedési modellnél azokban a cellákban, ahol források vannak, megadom a tömegáramot. • A belépı oldalfelületeken az m koncentráció 0 (Tiszta levegı áramlik be)
Case studies
Példa: a Határ út és a Wekerle-telep Hol legyen az új tehermentesítı út? 4 verziót vizsgáltunk, ÉNY-i széliránynál e ) v z t s ye l l s ü s é e ) n v z t b e t s e in ly s( z l sü ) zr i ó g e le tv ve n e l D le il e é s j n C t ( b e t ú r z in s ta á ( H z ió r v e B , A
Példa: a Határ út és a Wekerle-telep Hol legyen az új tehermentesítı út? „A” verzió
Példa: a Határ út és a Wekerle-telep Hol legyen az új tehermentesítı út? „D” verzió
Numerical simulation of pollutant dispersion MISKAM 4.22 / WinMISKAM developed for modeling micro scale urban dispersion by Dr. J. Eichhorn, University of Mainz/Lohmeyer Engineers • Non-equidistant Cartesian grid, k-ε turbulence closure • Limitations for easier use (predefined boundary conditions, geometry) • Two meshes: 900 000 and 2 million cells, 5 wind directions, 2 configurations)
Modeling of buildings: the grid consists of bricks, all roofs are flat BUTE Dept. of Fluid Mechanics 2005
MISKAM Results I. Concentration at 1.65m height without new buildings, wind direction: West
MISKAM Results II. Concentration at 1.65m height with new buildings, wind direction: West
clean air jets Street canyon vortex
Prediction of change of annual mean concentration II. • annual mean concentration change at 1.65 m height • MISKAM 4.22 and wind tunnel results
• Concentration decrease (cyan to blue) in the neighbouring area • Concentration increase (green to red) in the street cross section (due to the 20% traffic growth, and the street canyon)
