Time-Resolved Measurement and Simulation of - ETH E

diss. eth no. 23208
T I M E - R E S O LV E D M E A S U R E M E N T A N D
S I M U L AT I O N O F L O C A L S C A L E T U R B U L E N T
URBAN FLOW
A thesis submitted to attain the degree of
doctor of sciences of eth zurich
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
marc christian immer
Master of Science ETH in Mechanical Engineering
born March 26th , 1983
citizen of Oberhofen am Thunersee, BE
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Jan Carmeliet, examiner
Prof. Dr. GertJan van Heijst co-examiner
Prof. Dr. Patrick Jenny co-examiner
Dr. Jonas Allegrini, co-examiner
2016
Marc Christian Immer: Time-Resolved Measurement and Simulation of Local
c 2016
Scale Turbulent Urban Flow, ABSTRACT
With continuing urbanization and increasing population size, the understanding of the urban microclimate becomes more important. The urban
microclimate is the specific climatic conditions found between and above
buildings, meaning wind speed, air temperature, humidity and pollutant
concentrations. These conditions can vary locally based on the urban
morphology. The local microclimate has an influence on the building
energy demand, pedestrian wind comfort and health of the inhabitants.
This research aimed to improve the understanding of the local scale urban flow field. Specifically, the influence of turbulence present in the flow
above street canyons on the behaviour of shear layers at the street canyon
top was studied. Due to the instationary nature of turbulent flows, time
resolved techniques were employed. Wind tunnel measurements were
conducted in the ETHZ/EMPA Atmospheric Boundary Layer (ABL) wind
tunnel using a time resolved stereoscopic Particle Image Velocimetry (PIV)
system and flow simulations were conducted on the High Performance
Computing (HPC) facilities of EMPA and ETHZ using time resolved Large
Eddy Simulation (LES).
The wind tunnel experiment simulated a large range of turbulent flow
conditions for a unit aspect ratio street canyon geometry, by using a
purpose-build wind tunnel setup. A split-floor setup and turbulence
generating spires and barriers were used to vary the degree of turbulence.
Time resolved stereo-PIV data was used for a detailed investigation of
selected cavity flows. Spatio-temporal visualizations of vortex cores using
the Q criterion were superimposed on sweep and ejections events. This
provided useful insights on the dynamics of shear layers and the interaction with external turbulence. It was found that moderately turbulent
cases feature shear layers that produce vortices through Kelvin-Helmholtz
instabilities and cases with high turbulence showed vortex shedding at
the upstream edge, caused by sweep events. The time dependent analysis
of the highly turbulent case showed intermittent, large scale sweep events
that penetrate into the cavity.
Flow simulations with LES were conducted to investigate the turbulent
flow of a unit aspect ratio street canyon. For the inlet boundary con-
iii
dition, artificial turbulence generation was used. A high quality of the
simulations was achieved through a validation with the wind tunnel measurements. The validation showed that artificial turbulence generation
is a viable approach. Additionally, the validation showed the need for
high quality, time resolved stereo-PIV data. The simulations were used to
investigate the removal of a passive scalar from the street canyon under
different turbulent flow conditions. This revealed two distinct flushing
mechanisms, transport through the shear layer and transport out of the
cavity vortex. Turbulent inflow conditions significantly improved the rate
of removal. Furthermore, a demonstration case for a full scale apartment
building in an urban context showed the potential of LES in combination
with a turbulent inflow generator to study local scale turbulent flow
phenomena.
iv
Z U S A M M E N FA S S U N G
Mit kontinuierlicher Urbanisierung und steigender Bevölkerungszahl
gewinnt das Verstehen des urbanen Mikroklimas an Bedeutung. Das urbane Mikroklima bezeichnet die spezifischen klimatischen Bedingungen
die zwischen und über Gebäuden herrschen, das heisst Windgeschwindigkeit, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Schadstoffkonzentration.
Diese Bedingunen können sich lokal, abhängig von der urbanen Morphologie, ändern. Das lokale Mikroklima hat einen Einfluss auf den
Energieverbauch von Gebäuden, den Komfort von Fussgängern und die
Gesundheit der Bewohner. Die vorliegenden Untersuchungen haben zum
Ziel das urbane Strömungsfeld auf einer lokalen Skala besser zu verstehen. Im speziellen wurde der Einfluss der Turbulenz von Strömungen
oberhalb von Strassenschluchten auf die Scherschichten auf Dachhöhe
untersucht. Durch die instationäre Natur von turbulenten Strömungen,
wurden zeitaufgelöste Methoden verwendet. Windkanalmessungen im
Grenzschichtkanal der ETHZ/EMPA wurden mit zeitaufgelöstem, stereoskopischen Particle Image Velocimetry (PIV) durchgeführt und zeitaufgelöste Strömungssimulationen mit Large Eddy Simulation (LES) wurden
auf den Hochleistungsrechenanalgen der ETHZ und EMPA durchgeführt.
Die Windkanalexperimente simulierten eine Vielzahl von turbulenten
Strömungsbedingungen für eine Strassenschlucht mit einem Seitenverhältnis von Eins. Dazu wurde ein Versuchsaufbau mit doppeltem Boden
erstellt, bei welchem mit Hilfe von Spitzen und Barrieren der Turbulenzgrad verändert werden konnte. Zeitaufgelöstes Stereo-PIV wurde verwendet um detaillierte Untersuchungen durchzuführen. Räumlich-zeitliche
Visualisierungen der Wirbelkerne mit dem Q-Kriterium wurden sweep
und ejection Strömungsereignissen überlagert. Dies zeigte die Interaktion
der externen Turbulenz mit der Dynamik der Scherströmung. Moderate
Turbulenz zeigte Scherströmungen in welchen Wirbelentstehung durch
die Kelvin-Helmholtz Instabilität vorherschte, starke Turbulenz zeige
Wirbelentstehung durch sweep Ereignisse an der vorderen Kante. Die
zeitaufeglöste Analyse zeigte grossflächige, sporadische sweep Ereignisse
welche bis in die Strassenschlucht vordrangen.
v
Strömungssimulationen mittels LES wruden an einer Stressenschlucht
mit Seitenverhältnis von eins durchgeführt. Künstlich generierte Turbulenz wurde als Einlass-Randbedingung vorgegeben. Durch eine Validierung mit den Windkanalmessungen wurde eine hohe Qualität der
Simulationen erreicht. Die Validierung zeigte, dass die Verwendung von
künstlicher Turbulenz ein nutzbarer Ansatz ist. Zusätzlich wurde gezeigt,
dass dazu ein Bedarf an hochqualitativen, zeitaufgelösten stereo-PIV Daten besteht. Die Simulationen wurden verwendet um die Entfernung
eines passiven Skalaren aus der Strassenschlucht unter veschiedenen Turbulenzbedingungen zu Untersuchen. Dies hat zwei verschiedene Transportmechanismen hervorgebracht, den Transport durch die Scherschicht
und den Transport aus dem Strassenschluchtwirbel. Turbulenz hat die
Ventilationsrate signifikant erhöht. Desweitern hat eine Demosntrationssimulation für ein Wohngebäude im urbanen Kontext gezeigt, dass die
Kombination von LES und der künstlichen Generierung von Turbulenz
potenzial hat um turbulente Strömungsphänomene im lokalen urbanen
Raum zu untersuchen.
Acknowledgements
vi

Download Report