شبیه سازی جریان باد

[Mohammad Aref 120,438]

امروزه مطالعه جریان باد بسیار مورد توجه است. باد به عنوان منبع پاک انرژی شناخته می شود. همچنین جریان باد نقش مهمی در تهویه هوای شهر و کنترل آلایندگی ایفا می کند. بنابراین شبیه سازی جریان باد حول تک ساختمانها یا مجتمع های ساختمانی در سالهای اخیر افزایش یافته است. من و همکارانم تاکنون چندین شبیه سازی جریان باد را انجام داده ایم. برای این شبیه سازیها نرم افزار اپنفوم و حلگر پایای simpleFoam مورد استفاده قرار گرفته است. نرم افزار اپن فوم مدلهای مختلف توربولانسی را پشتیبانی می کند. در این شبیه سازیها مدلهای مختلف توربولانسی امتحان شده است تا بهترین مدل توربولانسی با تطبیق داده های عددی با نتایج آزمایشگاهی بدست بیاید. تجربه ی من نشان می دهد مدل توربولانسی kOmegaSST بهترین مدل RANS برای شبیه سازی جریان باد است.

 

 

گزارش مختصری از این شبیه سازیها در ادامه ارائه شده است:

 

جریان باد در اطراف هندسه های ساده

ما براساس مطالعه ی صورت گرفته در این مرجع به شبیه سازی جریان باد اطراف یک مجتمع ساختمانی پرداخته ایم. شبکه ی محاسباتی در نرم افزار Gambit ایجاد شده است. سپس شبکه با دستور fluent3DMeshToFoam به اپن فوم وارد شده است. ورودی سرعت براساس داده های تونل باد قرار داده شده است. داده های آزمایشگاهی توسط شرط مرزی timeVaryingMappedFixedValue اعمال شده است. برای صفحات جانبی و صفحه ی بالایی شرط مرزی symmetryPlane یا Slip در نظر گرفته می شود. شرط مرزی خروجی برای فشار صفر و برای سرعت گرادیان آن صفر در نظر گرفته شده است. برای زمین و ساختمان ها برای متغیرهای توربولانسی شامل k , epsilon و omega از تابع دیواره استفاده شده است. کانتور فشار و خطوط جریان در شکل زیر نشان داده شده است. جزییات این شبیه سازی در کتابم موجود است.

 

Pressure Contour and Stream Lines

 

شبیه سازی باد اطراف بادگیر

بادگیرها سازهای سنتی در معماری ایرانی است که برای تهویه هوا در ساختمان استفاده می شده است. بیان های وسیع خشک و داغ در مناطق مرکزی ایران یافت می شود که بادگیرها از روش های زیر باعث بهبود تهویه ی ساختمان و آسایش حرارتی ساکنین می شده است.

 

 

 

1. انتقال جریان باد مستقیم به داخل ساختمان
   
2. انتقال جریان هوای گرم با توجه به اختلاف دمایی به سمت خارج ساختمان
   
3. کمک به انتقال جریان هوای گرم با کمک انرژی تابشی خورشید
   

 

 

An example of wind catcher

 

یکی از مهمترین کاربردهای بادگیر استفاده از آن برای خنک سازی هوای داخل ساختمان است. معمولا بادگیرها به همراه حیاط برای تهویه و مدیریت حرارتی ساختمان در نظر گرفته می شود. برای این منظور نیاز به یک برج بلند هست تا باد ها را به دام بیندازد. معمولا یکی از دهنه های این برج بلند باز است. دهنه ی باز به سمت باد غالب قرار دارد بنابراین باد را به دام می اندازد و جریان باد را به سمت قلب ساختمان هدایت می کند و فضای ساختمان را خنک می کند. البته بادگیر نرخ جابجایی هوا را در ساختمان بیشتر می کند تا اینکه دمای هوا را کاهش دهد. بادگیرها یک چهار یا هشت دهنه دارند. برج مرتضی در شهر یزد که مورد مطالعه ی ما بود چهار دهنه داشت.

 

 

ابعاد دامنه ی محاسباتی چندین برابر ( معمولا ۱۵ برابر) بزرگتر از بزرگترین مقیاس مکانی ساختمان که در این اینجا ارتفاع بادگیر است در نظر گرفته شده است. یکی از مشکلات این شبیه سازی ایجاد شبکه ی مناسب برای دهنه های کوچک ورودی بادگیر با توجه به ابعاد دامنه ی محاسباتی بود.

 

 

هندسه ی بادگیر در نرم افزار CAD ایجاد شد و با فرمت STL خروجی گرفته شد و شبکه با ابزارهای مشزنی اپنفوم شامل blockMesh و snappyHexMesh ایجاد شد. برای سرعت ورودی شرط مرزی اتمسفریک ABL درنظر گرفته شده است. نتایج این شبیه سازی در دو مقاله کنفرانسی ارائه شده است. [1 , 2] .

Grid for Morteza house wind catcher

 

جریان باد در محیط شهری

آسایش پیاده روها در محیط شهری مخصوصا در اطراف برجهای بلند یکی از موضوعات جالب در تحلیل جریان در این مطالعه بخش هایی از شهر پورت لوییس پایتخت کشور موریس مورد مطالعه قرار گرفته است. شبیه سازی عددی با مدلهای مختلف توربلانسی خانواده ی kEpsilon و kOmega صورت گرفته است و نتایج عددی با داده های تجربی مقایسه شده است. باد است.

 

Schematic of Computational Domain

 

شماتیکی از دامنه ی محاسباتی در شکل ۴ نشان داده شده است. طول مرجع که برابر با ارتفاع بلندترین ساختمان است ۱۱۰ متر است. شبکه ی پایه با blockMesh ایجاد شده است. از آنجا که گرادیان سرعت در نزدیکی زمین بیشتر است. سلولها هر چه به سطح زمین نزدیک تر می شود فشرده تر در نظر گرفته شده است. نسبت منظری بزرگترین سلول به کوچکترین سلول در راستای قائم ۳ در نظر گرفته شده. همچنین شبکه در نزدیکی محیط شهری یک بار توسط topSet ریزتر شده است. سپس شبکه ی نهایی با snappyHexMesh به گونه ای تراش داده شده است تا منبطق بر هندسه ی ساختمان ها باشد که توسط فایل خروجی CAD با فرمت STL قرار بگیرد. سلولها نزدیک ساختمان تا ۵ مرتبه ریزتر از سلولهای پایه هستند.مراحل ایجاد شبکه در ادامه نشان داده شده است.

blockMesh

topoSet

snappyHexMesh

 

Final Grid

 

کانتور سرعت این شبیه سازی در پایین نشان داده شده است. اطلاعات بیشتر در این مقاله [3] در دسترس هست.

velocity at near by cells around buildings

 

Velocity contour at the height of 100 m from ground

 

مرجع

Hedayat, Z.H., Samkhaniani, N., Belmans, B., Ayatollahi, H., Wouters, I. and Descamps, F., 2015, December. Energy modeling and air flow simulation of an ancient wind catcher in Yazd. In 3rd International Congress on Civil Engineering, Architecture and Urban Development (pp. 29-31)

Hedayat, Z.H., Samkhaniani, N., Belmans, B., Ayatollahi, H., Wouters, I. and Descamps, F., 2017. Energy performance analysis of solar-wind catchers under hot and dry climatic condition in Iran-Yazd. Int. J. of Solar Energy Research (JSER), 2(1).

Dhunny, A.Z., Samkhaniani, N., Lollchund,M.R.,Rughooputh, S.D.D.V., 2018. Investigation of multi-level wind flow characteristics and pedestrian comfort in a tropical city. Urban Climate, Volume 24, (pp. 185–204)

 

منبع و نویسنده: نیما سام خانیانی