Validierung und Modellwahl für CFD Simulationen von Wind um Gebäude

Simulationen finden immer im Spannungsfeld zwischen genügender Genauigkeit und akzeptablem (Berechnungs-)Aufwand statt; insbesondere ist es sehr wichtig dass das gewählte Modell die tatsächlichen Strömungsverhältnisse in einer bestimmten Situation genau und hinsichtlich der Fragestellung vorhersagen kann. Hier geben wir einen kurzen Einblick in die Modellwahl und Validierung für die genaue Simulation von Wind um Gebäude beziehungsweise in Städten.

Um die notwendige Genauigkeit der Simulationsergebnisse sicherzustellen, validieren wir unsere Modelle mit Hilfe von wissenschaftlich veröffentlichen Daten. Generell ziehen wir es vor Modelle wie LES (Large Eddie Simulation) zu verwenden die möglichst geringe Annahmen hinsichtlich der Modellumgebung treffen, da solche Modelle robuster sind, wenn sich eine oder mehrere solche Annahmen, in einer konkreten Problemstellung als nicht (ganz) korrekt herausstellen. Obwohl solche Modelle aufwändiger in der Berechnung sind, ist es unser Leitsatz bei Rheologic so wenig Kompromisse wie möglich hinsichtlich der Qualität der Simulation einzugehen. (Wir verwenden natürlich auch viele andere Modelle, auch sehr schnelle, in Abhängigkeit von der jeweiligen Aufgabe, aber immer mit einem profunden Verständnis der impliziten Modellannahmen und der entsprechenden Limitierungen.)

Für komplexe und turbulente Strömungen um Strukturen und vor allem wenn Strömungsablösungen (flow separation) zu erwarten sind - so wie es eben um Gebäude herum und in Städten und bebautem Gebiet oft der Fall ist - haben wie sehr gute Erfahrungen mit LES gemacht. Das untenstehende Bild zeigt den Vergleich von publizierten Messungen in einem Windkanal-Experiment und die entsprechende LES die wir dazu durchgeführt haben. Die durchgezogene schwarze Linie zeigt die experimentelle Stagnation (=keine Luftbewegung) an, die im Mittel gefunden wurde. Innerhalb dieser Zone kehrt sich die Strömungsrichtung im Vergleich zur Hauptströmungsrichtung um (rezirkuliert). Die korrekte Vorhersage dieser Zone ist eine äußerst schwierige Simulationsaufgabe und kann einen riesigen Unterschied in der Qualität des Simulationsergebnisses verursachen; beispielsweise wenn Abgas einer Ventilationsanlage zurück in Richtung eines Gebäudes transportiert wird.

Das Bild unten zeigt nun unsere LES Simulation links und eine Standard k-Epsilon Simulation auf der rechten Seite. Auf den ersten Blick scheinen die beiden Resultate aus gänzlich unterschiedlichen Simulationen zu stammen! Tatsächlich handelt es sich um den selben Fall, jedoch mit einer korrekten Lösung (LES, links) und einer gänzlich falschen (rechts). Die Validierung zeigt ganz klar, wie wichtig die Wahl des richtigen Modelles ist und wie genau dieses im Vergleich ist, wenn es korrekt eingesetzt wird.

Ein praktisches Beispiel für solche Situationen ist die Art in der sich Laub (Schnee, etc.) genau an jenen Stellen sammelt, an denen die Strömungsgeschwindigkeit am geringsten ist - genauso wie es die Simulation vorhersagt, wie man an unstehendem Bild sieht.

Details über das Experiment das wir hier zur Validierung benutzt haben - Aufbau des Windkanals, Grenzschichten sowie Strömungsbedingungen und die Modellgeometrie sind publiziert in: E. Paterna: "Wind tunnel investigation of turbulent flow in urban configurations: a time-resolved piv analysis", Diss. ETH No. 22609, (2015)

Transiente LES mit gemittelten Resultaten zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit dem Experiment und ist daher sehr gut für die Simulation von Wind um Gebäude bzw. in Städten und im bebauten Gebiet geeignet.