在支持气候敏感设计的东京湾地区城市规模的CFD分析外文翻译资料

 2022-10-31 10:48:48

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在支持气候敏感设计的东京湾地区城市规模的CFD分析

Yasunobu Ashiea 和Takaaki Kono

摘要:近来,在东京,城市热岛效应的对策日益重要。这些措施包括减少人为热量释放和增强城市通风。城市通风的评价需要高分辨率的计算流体动力学(CFD)模型,该模型考虑到复杂的城市形态建设。形态学复杂性来自多尺度几何由建筑物,森林和河流,他们被叠加形成不同的形貌。在此背景下,在东京的23个行政区温度场和气流进行了模拟,使用总大约5十亿计算网格细胞与5mu;m的水平网格间隔的CFD技术。空气温度均方根(RMS)在127点模拟观测结果的误差为1.1°C。利用开发的模型,在东京都两个区城市重建计划是从缓解空气温度的观点考察。数值计算结果表明,建筑面积减少1公顷,便有12公顷的土地温度低于30℃。版权所有@2010英国皇家气象学会

关键词 城市热岛;CFD; 东京; 城市规划; 通风

2009年11月18日 创作; 2010年8月13日修订; 接受2010年8月18日 出版

  1. 介绍

空气温度是建筑和人类活动的重要环境因素。城市热岛(UHI)效应是人口密度高的城市人类活动造成的。因此,UHI效应对人类具有重大影响。 此外,城市地区空气温度的长期变化可能受到全球变暖和UHI影响的影响。这种情况要求采取措施减轻城市地区气温的上升。 存在两种减轻UHI现象的主要方法。 第一种方法是减少城市地区产生的热量。 城市地区存在各种各样的热源,例如从地面和建筑物表面释放的明显的热量,这些热量由于温度升高而导致。 城市热源还包括由于汽车,工厂和建筑物的热源系统的化石燃料消耗而释放到大气中的人为热。 在日本,已经采取了一些措施来缓解城市地区的气温上升。日本的土地,基础设施,运输和旅游部(MLIT)制定了建筑业主减轻UHI效应的指导原则,并建立了一个评估体系,对建筑设计进行评估,以减轻UHI效应(IBEC,2006)。评估体系评估的因素包括实施绿色屋顶,使用高反射材料,增强通风和减少人为热量。为了减轻UHI效应,东京也要求在一定尺寸的新建筑上实施绿色屋顶(东京都政府,2005年)。环境省(MOE)一直在推动对UHI对策技术进行数字客观评估的项目。作为这一努力的一部分,该部已经宣传了将人为的显热转化为潜热的个人户外空调机组的洒水效果(MOE,2005)。上述措施由国家和地方政府出资,对城市结构设计实际发生了变化。例如,在过去几年中,日本的高反射材料的年产量增加了三倍,同时在东京新增了10公顷的绿色屋顶。.

减轻UHI现象的第二种方法是增强城市空间的通风效果。 这种方法需要有效的建筑布置,以便在城市地区产生的热能迅速扩散到周围。 虽然第一种方法解决了个别建筑物和机械的减少热量,但第二种方法则侧重于大气与城市结构释放的热量之间的相互作用。 大气与城市结构释放的热量之间的相互作用受到道路,河流,公园等各种规模的多个开放空间的影响。 另外,由于日本大部分主要城市都位于沿海地区,所以利用海陆空气流的被动冷却效应被认为对降低这些城市夏季气温非常有效(AIJ,2000)。

表I.近年来CFD模拟的解决城市地区个别建筑物的例子

文献

应用(湍流模型)

水平域大小

(m2)

垂直域高

(m)

本文

热环境(RANS)

33 000times;33 000

500

Baik et al. (2009)

污染物分散(RANS)

980times;1140

400

Blocken and Persoon (2009)

风力环境(RANS)

3000times;3000

900

Bou-Zeid et al. (2009)

风环境(LES)

1500times;1500

400

Hanna et al. (2009)

污染物分散(RANS)

约3200times;900

约650

Xie and Castro (2009)

污染物分散(LES)

1200times;800

200

Nozu et al. (2008)

风荷载(LES)

2048times;1024

800

Oguro et al. (2008)

风环境(RANS)

1 0000times;1 0000

400

Tamura (2008)

风荷载(LES)

2900times;1200

1000

Burrows et al. (2007))

风力环境(RANS)

2100times;2100

300

Chan and Leach (2007)

污染物分散(RANS)

1030times;3010

425

Flaherty et al. (2007)

污染物分散(RANS)

900times;1200

300

Hendricks et al. (2007)

污染物分散(RANS)

1400times;1400

200

Huang et al. (2005)

热环境(RANS)

400times;400

450

迄今为止,已经进行了解决城市地区个别建筑物的许多计算流体动力学(CFD)研究,以预测城市大气环境(表一)。 然而,CFD研究很少,研究单个建筑物释放的热量与大气环流之间的相互作用,空间尺度比单个建筑物大,如陆/海微风循环和河流和公园露天空间的循环。

在这项研究中,东京23区的热环境是通过进行CFD模拟来解决单个建筑物的。东京的23个病房是东京都的特别管理区,是日本经济和政府的中心,人口为880万人。病房面积621平方公里;大约56,20和10%的土地面积分别被住宅小区,道路和绿地覆盖。其余的土地覆盖着水和其他表面。对于数值模拟,开发了大规模数值分析系统,然后在大规模矢量并行计算机上执行。东京23区的热环境模拟了5米网格间距,足够高的分辨率,研究了从个体建筑到整个城市的城市热环境。通过与风洞试验进行比较,已经确定了一个单独建筑物和一组建筑物的系统的有效性(Ichinose等人,2005年,2007年)。在本研究中,将东京23区的模拟热环境与观测到的气象数据进行比较。最后,将开发的系统应用于城市东京重建计划的评估,其目的是将考虑到城市通风效应的气候敏感设计纳入考虑。

  1. 分析方法

2.1 概述

图1显示了本研究中进行的分析流程。 模拟系统的输入包括代表当前城市地面或城市地面的边界条件,由待分析区域的重建计划确定。 模拟系统的输出包括空气温度,风速和方向等环境变量。 模拟是在高速超级计算机系统上进行的,名为“地球模拟器”(日本日本横须贺海洋地球科学技术局)。

    1. 管理方程和数值方案

表II总结了本研究中使用的控制方程和数值方案。 控制方程是

图1. UHI分析图。 这个数字在线可以在wileyonlinelibrary.com/journal/joc上获得

表二 CFD模型的管理方程和数值方案

分支

内容

管理方程式

质量守恒方程

动量运输方程(浮力,科里奥利力和树的拖曳被考虑)

能量传输方程(根据潜在温度制定;考虑从墙壁和人为热释放的显热)

水蒸汽输送方程(根据比湿制定,从墙壁和人为热释放的潜热)

湍流动能(k)的运输方程(考虑浮力,湿度和树木产生的湍流)

考虑了湍流动能(ε)(浮力,湿度和树木的耗散)的耗散率方程式,

湍流模型

标准k - ε模式

坐标系

三维正交坐标系

计算网格

交错网格

离散化方法

有限差分法

空间离散法

一阶逆风方案(平流项),二阶中心差异方案(所有其他术语)

时间离散化方法

完全隐含的方案

计算算法

AMG-CG求解器,BiCGSTAB求解器

注意,该模型用于具有可变密度的良好混合气体的低马赫数流动。

为了考虑小于网格分辨率的对象,所有的控制方程都是用FAVOR技术来制定的。

用于质量,动量,能量,湍流动能(k)和湍流动能(ε)的耗散率的可压缩雷诺平均方程。 对于湍流模型,改进了标准k-ε模型,考虑了科里奥利力对流动运动和绝热过程对空气温度的影响。 此外,由于水蒸汽的浮力效应被认为是湍流动能的来源。 为了考虑小于网格分辨率的对象的配置的空气动力学影响,所有方程都用分数区域容积障碍物表示(FAVOR)技术(Hirt,1993)来表示。 使用Mochida等人给出的参数值来建模树的拖动。(2006)。

控制方程通过笛卡尔交错网格系统的有限差分法离散化。 对于平流和扩散项分别应用一阶逆风差分法和二阶中心差分法。 对于时间整合,使用完全隐含的方法。 代数多网格(AMG)法(Stuben,2001)用于解决泊松方程的压力和后向差分公式。

2.3边界条件

为了确定边界条件的值,在CFD模拟之前运行包含CFD域的中尺度模型;然后将计算出的流量插值到CFD域的边界上。然而,所有内插值都不能用于CFD域的所有边界,因为由于插值误差,质量不会在整个CFD域中保守。在建立中尺度气象模型和CFD模型时,提出了一些节省质量的方法。例如,Baik et al。 (2009)在流出边界应用零梯度边界条件,并将流入边界处的垂直速度设置为零。 Coirier等人(2007)仅在横向上使用来自中尺度模拟的空间插值流量。在本模拟中,CFD域的边界条件如表III所示设置,如下。根据中尺度气象模拟的结果,确定CFD域边界上的每个网格单元是否正在经历流入或流出。在CFD模拟过程中,每个边界网格单元始终是流入网格单元或流出网格单元,与典型的CFD模拟不同,域中的整个边被分配为流入

表三 CFD模型的边界条件

变量

上边界

下边界(土壤和建筑物表面)

流入边界

流出边界

压力

lt;

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