Numerical analysis and experimental validation of pollutant dispersion for the actual urban area of Niigata city, Japan

Abstract

A dinâmica de fluídos computacional (CFD) está em uso crescente no que respeita à previsão do fluxo de vento e da dispersão de poluentes ao redor de edifícios. Para modelar o fluxo turbulento as equações Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) são frequentemente utilizadas em CFD. Na presente pesquisa, a previsão da dispersão de poluentes é comparada através de valores obtidos em túnel de vento para duas configurações diferentes: um edifício isolado com um ventilador no topo deste (Case 1) e uma parte da área urbana da cidade de Niigata, Japão (Caso 2). Esta análise foi feita através do fluxo de vento e da concentração de poluentes usando RANS. O Caso 1 usou três modelos de turbulência: modelo k-ε RNG, modelo k-ε Realizble e RSM. Todos apresentaram resultados subestimados em relação aos obtidos em túnel de vento por Li e Meroney (1983). Dando especial atenção à recirculação no topo do edifício, diminuindo o perfil da energia cinética de turbulência (k) até quatro vezes obtém-se resultados mais próximos das medições experimentais. Apenas o modelo k-ε Realizable falhou a previsão da recirculação no topo do edifício. Os modelos k-ε RNG e RSM apresentaram resultados aceitáveis perante as medições. O Caso 2 apresenta uma complexidade superior ao Caso 1 porque trata uma área urbana caracterizada por edifícios e ruas irregulares. Assim, torna-se difícil criar uma malha de alta qualidade. Para o fazer, a malha apresenta um total de células superior a 60 milhões. Uma simulação foi conduzida usando RANS. Os resultados foram validados através da informação providenciada pelo Instituto de Arquitectura do Japão (AIJ). As previsões para o fluxo de vento mostram concordância. As previsões de concentração mostram valores sobrestimados em algumas localizações, mas em geral os resultados estão de acordo com as medições em túnel de vento.

Computational Fluid Dynamics (CFD) is increasingly used to predict the wind flow and pollutant dispersion around buildings. One of the most frequently used turbulence used approaches in CFD is given by the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations. In this research, prediction of pollutant dispersion around buildings was compared with wind-tunnel data for two model configurations: an isolated cubic building with a vent located on its rooftop (Case 1) and an actual urban area of Niigata city, Japan (Case 2). This analysis was made through both the wind flow and pollutant concentration field by using RANS. For Case 1, three turbulence models were tested: the RNG k-ε model, the Realizable k-ε model and the RSM. Such models provided underpredicted results in relation to the wind-tunnel data from Li and Meroney (1983). Paying special attention to the recirculation on the rooftop, decreasing the turbulent kinetic energy (k) up to four times, results in a closer correspondence to the experiments. Only the Realizable k-ε model failed to reproduce significant recirculation of the wind flow on the rooftop. The RNG k-ε model and RSM presented fair results against measurements. Case 2 presents a higher level of complexity than Case 1 because it treats an urban area which is characterized by irregular buildings and streets. Thus, it is more difficult to arrange a high-quality grid. A high-quality grid was created with a total number of cells higher than 60 million. One simulation was performed by using RANS. Results were validated using the wind-tunnel data provided by the Architectural Institute of Japan (AIJ). The wind flow field predictions showed good agreement. Concentration field predictions showed overpredicted results in some locations, however, in general, the results showed fair agreement with the wind-tunnel measurements.