Computational fluid dynamics simulations of local wind in large urban areas

Abstract

The present report details the methodology and parameters used for high-fidelity computational fluid dynamics (CFD) simulations of wind in large urban areas. In particular, a 150 km2 area of Oslo is used as an example, and local flows resulting from 18 different meteorological wind directions have been simulated. To the knowledge of the authors, this is the first documented case of large-eddy simulations of complex urban geometries larger than approximately 25 km2 with geometry-conforming tetrahedral meshes. The work is presented in the context of the FFI-project “UNOS”, which concerns the development of a high-quality operational hazmat dispersion tool for use in Norwegian cities. Such a tool is valuable for risk assessment, situational awareness and improved preparedness for emergency events involving urban dispersion of chemical or biological agents. That said, the guidelines and workflow discussed are relevant to many cases in which CFD simulations of a geographical area are of interest. Examples include wind-load computations, wind-comfort simulations, and air-pollution simulations. Choices of sufficient mesh resolutions, wind inflow formulations and other parameters relevant to the present context are discussed. Reported results mainly exemplify flow data from selected simulated global wind directions, and the examples show how such data can be presented. However, in determining the necessary problem parameters, several relevant results are also found: Although a mesh resolution of 1 m close to solid surfaces is recommended, a 2 to 4 m resolution suffices for the specific context of this work. Further, it is shown that the details of a turbulent inflow is not essential. On the other hand, the domain height and wall boundary-conditions have noticeable impacts on the solution; a domain height of 4 km was sufficient for the present case, and weakly imposed wall-boundary conditions perform somewhat better than strongly imposed conditions for the finite-volume solver used here. Applying the methodology described here, 18 different simulations of urban wind in Oslo were successfully computed and used in the generation of the operational hazmat dispersion tool, CTAnalyst ® Oslo.

Denne rapporten drøfter metodikk og parametere som benyttes for høyoppløste fluiddynamiske simuleringer av vind i store byområder. Et 150 km2 område av Oslo er brukt som et spesifikt eksempel, og den lokale vinden i byrommet er simulert for 18 ulike meteorologiske vindretninger. Såvidt forfatterne kjenner til er dette er den første dokumenterte beskrivelsen av såkalte LES-simuleringer (“large-eddy simulations”) for urbane områder større en omtrent 25 km2 med geometri-konforme tetraheder-mesh. Arbeidet presenteres i sammenheng med FFI-prosjektet “UNOS”, som dreier seg om utvikling av et presist operasjonelt verktøy for spredningsberegninger i norske byer. Et slikt verktøy har nytteverdi for risikoanalyser, situasjonsforståelse og bedret beredskap med tanke på spredning av kjemiske eller biologiske trusselstoffer i urbane områder. Arbeidsflyten og føringene som diskuteres i rapporten er imidlertid relevante for mange andre tilfeller der fluiddynamiske simuleringer av vind i et gitt geografisk område er av interesse. For eksempel kan vindlaster, vindmiljø i byrom og luftforurensning simuleres. Valg av tilstrekkelig mesh-oppløsning, gode beskrivelser av det innkommende vindfeltet og andre relevante parametere blir drøftet. Resultatene er hovedsakelig eksempler på vinddata fra simuleringer for utvalgte meteorologiske vindretninger, og eksemplene viser hvordan slike data kan presenteres. Undersøkelsen av ulike problemparametere avdekket dessuten flere relevante resultater: Selv om en mesh-oppløsning på 1 m nær faste vegger anbefales, er 2 til 4 m oppløsning godt nok for dette arbeidet, gitt konteksten beskrevet i forrige avsnitt. I tillegg viser det seg at detaljene i et turbulent innkommende vindfelt ikke er avgjørende for det urbane vindfeltet. På den annen side vil domenehøyde og grensebetingelser på vegger påvirke løsningen; en domenehøyde på 4 km var tilstrekkelig for simuleringene i dette arbeidet, og en svak formulering av grensebetingelsene ga noe bedre resultater enn en sterk formulering med endelig-volum-løseren som er blitt brukt her. Metodikken og parametrene beskrevet her er brukt til å simulere urban vind i Oslo for 18 ulike meteorologiske vindretninger, og disse resultatene er videre brukt til å kompilere det operasjonelle spredningsberegningsverktøyet, CT-Analyst® Oslo.