BUILDING AERODYNAMICS BME GEÁT MW08 Flow around buildings Pollutant dispersion 1 Dr. Goricsán István, 2008 Balczó Márton, Balogh Miklós, 2009 Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Áramlástan Tanszék
DESCRIPTION OF BOUNDARY LAYERS 2 Figure based on: Stull, Ahrens, Meteorology for Scientists and Engineers
DESCRIPTION OF BOUNDARY LAYERS 3 Roughness layer directly influenced by building Upper layers feel only a homogeous roughness at their bottom level 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: Pressure coefficient: ρ 2 ptotal = pstat + u = 2 ρ 2 pmax = u 2 áll. c p = p ρ u 2 2 = + 1... 3 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 7 Building influence: up to 3-10H distance
SILSOE-CUBE 6m height, turnable 32 pressure measurement points Wind measurements around the building 8
SILSOE-CUBE wind tunnel measurement on-site measurement 9 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 Budapest Arena - WIND DIRECTIONS Z 060 090 LEFT Z 120 150 REAR 180 X TOP Cp MEAS 0.75 0.68 0.61 0.55 0.48 0.41 0.34 0.28 0.21 0.14 0.07 0.01-0.06-0.13-0.20-0.26-0.33-0.40-0.47-0.53 030 000-300 -200-100 0 100 200 300 FRONT 330 model width, x [mm] origin Y X RIGHT model length, y [mm] -300-200 -100 0 100 200 300 400 300 270 240 210 11 180 fok
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
15 FLOW IN CASE OF A CITY DISTRICT
Sand erosion test in wind tunnel 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 a. b. a. A feketére festett modell b. Homokelhordás síklapról c. A homokkal fedett modell d. 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 relative mean intensity [-] NNE without CC 0.7 NNE with CC E without CC 0.6 E with CC SWSSW without CC 0.5 SWSSW with CC W without CC W with CC 0.4 NWNNW without CC NWNNW with CC 0.3 0.2 0.1 I DP = N pixel i= 1 N RMI = I cc pixel I I i DP ref 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 [-] Equal relative mean intensity means equal wind comfort (equal area covered by sand). W ind direction 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 % W 9 % -19 % Annual mean -7 % BUTE Dept. of Fluid Mechanics 2004
LÉGSZENNYEZETTSÉG Természetes és emberi eredető anyagok a levegıben: Gázok összetétel szerint: NO, CO, NO 2, SO 2, O 3, HC, Szilárd részecskék méret szerint: TSPM, PM10, PM2.5, nanorészecskék Mértéke: szennyezıkoncentráció [mg/m 3 ], [µg/m 3 ], [ppm] (part per million) Emisszió: kibocsátás Transzmisszió: tovaterjedés (Konverzió: kémiai átalakulás) Immisszió: adott helyen észlelt légszennyezettségi állapot 20 Légszennyezettség meghatározása: Csak mérés Mérés és modellezés kombinációja Teljes modellezés
LÉGSZENNYEZETTSÉG HELY SZERINTI VÁLTOZÁSA Meteorológiai skála: makro (globális) > mezo > mikro > regionális > városi > mikro 21
22 LÉGSZENNYEZETTSÉG HELY SZERINTI VÁLTOZÁSA
LÉGSZENNYEZETTSÉG IDİBELI VÁLTOZÁSA Napi, heti, évszakos változás Ok: kibocsátás változása, nagytávolságú transzport, meteorológiai viszonyok A NO x, NO 2 és PM 10 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 Téglagyár kéményébıl kilépı füstfáklya (Stewartby, Anglia) with the kind permission of Geoff Spivey, 2007
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 H h Q C(x,y,z) = 2 π σ σ y z u e 2 y 2 σ 2 y e (z H) 2 2 σ z 2 + e (z+ H) 2 2 σ z 2 e λ x u 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 s osztályoz lyozása városi v környezetben k 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 s osztályoz lyozása városi v környezetben k 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) Egyenletek száma: 2 Σ6 Ismeretlenek száma: u, v, w, p, E, ε=6 Tehát cellánként 6 egyenlet, 6 ismeretlen megoldható T.f.h. u, v, w és K m minden pontban ismert: terjedésszámítás Terjedésmodell: 1 m : koncentráció [kg/m 3 ] Q : forrás tömegárama [kg/s]
Peremfeltételek telek 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 C é s D ve r z i ó (s z i n tb e n é s s ü l l ye s z tve ) A, B v e rz i ó ( sz i n t b e n i l l e t v e sü l l y e sz t v e ) H a t á r ú t ( j elen leg )
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)