An empirically based assessment of district-level CFD application

Abstract

In letzter Zeit widmen WissenschaftlerInnen den mikroklimatischen Wetterbedingungen in urbanen Gebieten große Aufmerksamkeit. Inkrementell mit der Stadtbevölkerung zunehmende Bau- und Verkehrslasten verursachen eine Reihe von Umweltveränderungen wie Lufttemperaturerhöhungen, Solareinstrahlung und CO2-Emissionen. Die Reduzierung von hohen Temperaturen und Schadstoffdispersion, insbesondere in Straßenschluchten, ist zu einem Hauptanliegen bei der Urbanisierung geworden. Es wird eine Vielzahl von Methoden angewendet, um einerseits die aktuellen Bedingungen zu analysieren und andererseits Lösungen zu finden. In dieser Arbeit kommt das Verfahren der numerischen Strömungsmechanik (CFD) zur Anwendung. Diese Methode bietet eine komplette Strömungsfeldanalyse und ist ausgesprochen kostengünstig in der Anwendung. Nichtsdestotrotz besitzt ein städtisches Gebiet eine komplexe Typologie und für die CFD-Studie müssen folglich zahlreiche Variablen berücksichtigt werden, um die atmosphärischen Grenzschichtströmungen in urbanen Straßenschluchten vorauszusagen. Trotz der Vorteile eines rechengestützten Verfahrens, wird die CFD Methode unter Berücksichtigung der Verifikations- und Validierungsprobleme nicht als eigenständiges Methodenwerkzeug verwendet. Diese Untersuchung befasst sich mit unbekannten Variablen und erforscht mit Hilfe eines statistischen Ansatzes die prädikativen Fähigkeiten der CFD-Anwendung im urbanen Raum. Mittels zwei stationären und einer mobilen Wetterstation wurden an 16 verschiedenen Standorten Messungen zur Windgeschwindigkeit und Windrichtung durchgeführt. Die Messergebnisse wurden hinsichtlich 280 verschiedener Luftgeschwindigkeitswerte zusammengefasst und strukturiert, die darauf folgend mit den entsprechenden CFD-Ergebnissen verglichen wurden. Anhand dieses Vergleichs wurde ein systematischer Fehler festgestellt, welcher mit einer parametrischen Studie bis zu einem gewissen Grad reduziert wurde. In Anbetracht der prädikativen Performanz der CFD-Anwendung im urbanen Raum und deren Abhängigkeit von den Modellierungsannahmen und -Strategien lassen sich bestimmte Schlüsse ziehen. So sollte eine einfache Maßgröße um das CFD-Modell zu kalibrieren Abhilfe schaffen und zu einer besseren Übereinstimmung von simulierten und gemessenen Daten führen.

Recently, the microclimatic conditions in urban areas have been attracting growing attention by researchers. The incremental change of city populations along with the required construction and traffic loads have resulted in a series of environmental changes such as an increase in air temperature, solar radiation and CO2 emissions. Reducing high temperatures and contaminant dispersion have become one of the major concerns in urbanization, especially within urban canyons. Several methods are applied to analyze the current conditions and to develop solutions. In this case, Computational Fluid Dynamics (CFD) applications are applied. CFD provides whole flow field analysis and its cost effective features enhance the availability of the software. However, an urban area has a complex topology and a CFD study involves numerous variables to predict the atmospheric boundary layer flows within an urban canyon. Despite the advantages of the computational approach, CFD is not used as a standalone tool considering verification and validation issues.This research addresses unknown variables and explores predictive performance of a CFD application in urban level queries using a statistical approach. Measurements of wind speed and wind direction at 16 different locations were performed using two standard weather stations and a mobile weather station. The measurement results were aggregated and structured into 280 distinct airflow velocity values, which were subsequently compared with the respective CFD results. From this comparison, a systematic error was encountered and it was condensed using a parametrical study. Certain conclusions were derived with regard to the predictive performance of urban-level CFD applications and its dependence on the modelling assumptions and strategies. Subsequently, a simple measure to calibrate a CFD model and to achieve a better overall agreement between simulated and measured data has been proposed.