Large eddy simulation of atmospheric boundary layer flow over a realistic urban surface

Giometto, Marco Giovanni

Der Großteil unseres aktuellen Wissens über Windströmungen in realistischen urbanen Grenzschichten (roughness sublayer, RSL) stammt aus Ein-Punkt-Messungen von Messplattformen in Städten, die jedoch keine hinreichende Quantifizierung von Größen wie dem dispersiven Impulsfluss, der Nachlaufproduktion sowie dem dispersiven Transport und der Dissipation der turbulenten kinetischen Energie über ein komplettes Stadtgebiet erlauben. Um die Relevanz einiger schwer oder nicht messbarer Terme und den Einfluss der räumlichen Variabilität des Strömungsfeldes auf die Entstehung, den Transport und die Dissipation der turbulenten kinetischen Energie zu quantifizieren, wurde eine Reihe von Large Eddy Simulationen (LES) über und in einer realistischen, gebäudeauflösenden Stadtgeometrie von Basel (Schweiz) durchgeführt. Dazu wurde zuerst die Größe einer repräsentativen Teilgeometrie basierend auf der Statistik der gemittelten Strömungsstatistik ermittelt. Darauf basierend wurde ein 512m x 512m großer Stadtteildistrikt mit einem mittig angeordneten Messturm ausgewählt, an welchem Einpunkt-Messungen an sechs unterschiedlichen Höhen verfügbar waren. Zur Berücksichtigung variierender Parameter des Schließungsmodells wurden zwei unterschiedliche Werte für die hydrodynamische Oberflächenrauigkeit z0 und zwei LES Schließungsmodelle berücksichtigt: das statische und das Lagrang’sche skalenabhängige Smagorinski-Modell. Gebäude wurden durch einen diskreten Kraftterm innerhalb der Immersed Boundary Methode (IBM) berücksichtigt. Die Berechnungsergebnisse am Messturm stimmen für zwei ausgesuchte Strömungsrichtungen gut mit den experimentellen Messdaten überein, womit der Nutzen der LES in Verbindung mit der IBM zur numerischen Untersuchung von Turbulenz und Dispersion in einer urbanen Grenzschicht nachgewiesen werden konnte. Die Simulationen bestätigen, dass die mittleren Geschwindigkeitsprofile in der RSL durch einen Inversionspunkt z_g charakterisiert werden können, der oberhalb der mittleren Gebäudehöhe z_h liegt. Die turbulente kinetische Energie in der RSL wird hauptsächlich oberhalb von z_g produziert und die Turbulenz wird von dort in die urbane Bewuchsschicht (urban canopy layer, UCL) transportiert. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass räumliche Variationen zeitgemittelter Größen und bisher nicht messbare dispersive Terme in der RSL oberhalb der urbanen Oberfläche nicht vernachlässigbar sind.

Most of our current knowledge on flow and turbulence in realistic urban roughness sublayers (RSL) originates from sporadic campaigns with single-point measurements from towers in cities. Such measurements are not able to properly quantify the impact of terms such as dispersive momentum fluxes, wake production, dispersive transport and dissipation of turbulent kinetic energy (TKE). Further, we assume that single-point measurements are representative if used as surrogate for horizontally-averaged quantities over the entire urban domain. To quantify the relevance of non-measurable terms and explore the spatial variability of the flow field in generating, transporting and dissipating TKE, a series of Large Eddy Simulations (LES) is performed to characterize the airflow over and within a truthful building-resolving urban geometry in the city of Basel, Switzerland. The extend of a representative subset for the city is first identified, based on the convergence of averaged flow statistics. Further, a 512m x 512m wide domain is chosen to be centered around a tower where single-point turbulence measurements at six heights are available. To account for variability connected to the closure model, two values of the surface hydrodynamic roughness length z_0 and two LES closure models are considered: the Static and the Lagrangian scale-dependent Smagorinsky models. Buildings are represented through a discrete-forcing immersed boundary method (IBM) and based on detailed real geometries from a surveying dataset. The local model output at the tower location compares well against measured data for two chosen approaching angles of the flow, confirming LES in conjunction with IBM a valuable tool to study turbulence and dispersion within a real urban RSL. The simulations confirm that mean velocity profiles in the RSL are characterized by an inflection point z_g, located above the average building’s height z_h. TKE in the RSL is primarily produced above z_g, and turbulence is transported down into the urban canopy layer (UCL, i.e. street canyons, backyards). Pressure transport is found to be significant in the very near wall regions. Further, spatial variations of time-averaged variables and non-measurable dispersive terms are important in the urban RSL above a real urban surface and should therefore be considered in future urban canopy parameterization developments.

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Giometto, Marco Giovanni: Large eddy simulation of atmospheric boundary layer flow over a realistic urban surface. 2014.

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