Wind Conditions Around High-rise Buildings: A Method for Evaluating Wind Conditions by Computational Fluid Dynamics

Abstract

Denne rapport er skrevet som afrapporteringen af afgangsprojektet "Vindforhold omkring høje bygninger", der er gennemført på kandidatuddannelsen til Civilingeniør i Bygge- og Anlægskonstruktion ved Aalborg Universitet. Projektet omhandler evaluering af vindforhold i bymiljøet ved anvendelse af en numerisk metode kaldet Computerstøttet Fluid Dynamik (CFD), der anvendes som en virtuel vindtunnel. Formålet er at opstille et redskab til undersøgelse af vindforhold omkring eksisterende og planlagte bebyggelser. I Danmark er den største del af bebyggelserne lave bygninger, men i en del nyere lokalplaner er det foreslået at konstruere højere bygninger. Høje bygninger kan give problemer med vindforholdene på jordniveau i bygningens umiddelbare nærhed, da bygninger der er højere end den omkringliggende bygningsmasse forstyrrer en større del af den atmosfæriske strømning. Det er derfor i projektet søgt at opstille en anvendelig procedure til evaluering af vindforholdene. Denne procedure er opstillet på baggrund af den tilgængelige litteratur kombineret med egne studier. Evaluering af vindforhold kan evalueres på baggrund af kendskab til vinds påvirkning på mennesker, statistik på vindens hastighed og retning, samt vindens aktuelle strømning omkring bygningerne på lokaliteten. Evalueringskriterier, der fastsætter grænser for hvornår vinden bliver ukomfortabel og hvornår den bliver farlig, er fastsat på baggrund af forsøg i en vindtunnel gennemført af Hunt, Poulton og Momford (1976). Der findes intet dansk normgrundlag for, hvor hyppigt farlige og ukomfortable vinde må forekomme, men SBI-anvisning 128 angiver disse grænser. Det er i projektet vist, at disse grænser er for høje, og at grænserne i den hollandske vindkomfortnorm NEN 8100 giver et mere fornuftigt billede af vindforholdene. Der er opstillet en metode til transformering af vindstatistikker fra meteologiske målestationer til randen af de aktuelle evalueringsdomæner, hvori CFD-beregningerne er udført. Metoden baserer sig på arbejde af Verkaik et al. (2005) og Wieringa (1986). Strømningsberegningerne omkring bygningerne på lokaliteten, bestemt ved CFD, er valideret med feltmålinger foretaget ved Høje Brygge i Nørresundby. Det er vist at anvendelse af k-omega SST-modellen af Menter (1994) med parametre foreslået af Yang et al. (2009), er bedst til at modellere både middelhastigheden og turbulensen i strømningen. Den overordnede procedure opstillet til evaluering af vindforhold er anvendt til to case-studier. I den ene case, ved et eksisterende byggeri ved Høje Brygge i Nørresundby, er beboerne udsat for kraftige vinde, der påvirker brugsværdien af området. Den opstillede beregningsmodel bekræfter de forhold, beboerne oplever. Der er foretaget undersøgelser af forskellige muligheder til forbedring af vindforholdene. Den anden case er fra et projekt under udvikling i Århus ved Viborgvej/Bredskiftevej. Beregningerne viser, at der er problemer med vindforholdene med den originale bygningsgeometri. Det er vist, at en mindre ændring kan forbedre vindforholdene, dog ikke tilstrækkeligt til at overholde angivelserne i NEN 8100.

This project is conducted in order to investigate the possibilities of analysing wind conditions at pedestrian level by use of Computational Fluid Dynamics (CFD). The purpose is to establish an operational procedure for evaluating wind conditions by coupling CFD, wind statistics, and evaluation criteria. The project consists of three parts: Part I deals with the problem of formulating evaluation criteria based on mean wind speed and turbulence. Based on the literature criteria are established for comfort and danger, along with limits of how often the criteria should be allowed to be exceeded. Part II presents the mathematical model used to evaluate the flow field. This includes treatment of the wind statistics, modelling boundary conditions, selection of turbulence model, and comparison of the CFD model with field measurement in order to evaluate the proposed model. It is showed that the SST k-ω model by Menter (1994) with parameters suggested by Yang et al. (2009) is best for modelling the turbulence. A method for transformation of wind statistics from meteorological sites to the location of interest is applied based on the work of Verkaik et al. (2005) and Wieringa (1986). The overall procedure of evaluating wind conditions is presented, and in Part III two case studies are conducted. One from Høje Brygge, Nørresundby, where also the field measurements are conducted. Here the residents suffer under severe wind conditions. The other case study, from Viborgvej/Bredskiftevej in Århus, is for a proposed group of high-rise buildings. In both cases the comfort and danger are evaluated and a number of solutions are suggested in order to reduce the wind speed at ground level. The directional discretisation is investigated and considerations on how to choose an adequate discretisation is presented.

A master thesis from Aalborg University

Wind Conditions Around High-rise Buildings: A Method for Evaluating Wind Conditions by Computational Fluid Dynamics

[Vindforhold omkring høje bygninger: En metode til evaluering af vindforhold med Computerstøttet Fluid Dynamik]