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Numerische Modellierung turbulenter Umströmung um Gebäude
Abb: Beispiel einer Würfelumströmung in Horizontal- und
Vertikalschnitt.
Schnitt fürht jeweils durch den Würfelmittelpunkt.
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Abstract:
Im Rahmen dieser Arbeit wurden mit Hilfe des mikroskaligen Modells MITRAS die Auswirkungen unterschiedlicher Turbulenzschliessungen auf die Berechnung der Umströmung von verschiedenen Hindernissen untersucht. Das Ziel der Arbeit war es, eine für die hier angewandte, relativ grobe Modellauflösung am besten geeignete Turbulenzschliessung zu finden, wobei folgende drei Schliessungsgrundtypen verwendet wurden: die Smagorinsky-, die Energie-Mischungsweg- und die Energie-Dissipations-Schliessung. Alle Schliessungstypen wurden in einer ein- und dreidimensionalen Modellversion implementiert. Die Ergebnisse der Modellsimulationen wurden mit Feld- und Windkanalmessungen verglichen.
Die Ergebnisse der Simulationen zeigten, dass unabhängig von der gewählten Schliessung die wesentlichen Charakteristiken des Strömungsfeldes im Bereich von Hindernisse wie z.B. der im Lee entstehende Wirbel qualitativ im Einklang mit den Messungen wiedergegeben wurden. Bei genügend feiner Gitterauflösung konnten weitere Wirbel über und vor den Gebäuden simuliert werden.
Die Details der Felder der Geschwindigkeit, der turbulenten kinetischen Energie und der Impulsflüsse zeigen jedoch grosse Unterschiede abhängig von der Parametrisierung der Flüsse. Die in den einzelnen Schliessungen auftretenden Parameter wurden für die hier verwendete grobe Gitterauflösung neu bestimmt. Die optimalen Parameter der Energie-Dissipations-Schliessung sind unabhängig vom Hindernistyp und entsprechen denjenigen von Launder et al. (1972).
Simulationen, welche mit der Energie-Dissipations-Schliessung durchgeführt wurden, zeigten im Luv der Hindernisse zu hohe Werte der turbulenten kinetischen Energie und des turbulenten Impulsflusses im Vergleich zu den Messungen. Die hohen Werte konnten durch geeignete Veränderungen der Energie-Dissipations-Schliessung korrigiert werden, ohne dass dadurch andere Bereiche beeinflusst werden.
Vergleiche von Simulationsergebnissen und Messungen zeigten, dass ein modifizierter Schliessungsansatz nach Kato und Launder (1993) die beste Übereinstimmung für die hier verwendeten Gitterabstände liefert. Diese Schliessung wurde verwendet, um das Strömungsfeld in einem bebauten Bereich zu simulieren.