[論文レビュー] Impact of street canyon morphology on heat and fluid flow-an experimental water tunnel study using simultaneous PIV-LIF technique

Yunpeng Xue, Yongling Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2023

Wind and Air Flow Studies参考文献 44被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、大規模な水トンネルを用い、同時にPIVとLIFを用いて高分解能で流れの速度場と温度場を測定することで、ストリートキャノンの形状が熱および流れの挙動に与える影響を調査した。結果から、キャノンの高さ幅比が換気率（0.02〜1.5）と熱フラックスを決定的に制御していることが示され、局所リチャードソン数が屋上部における浮力による熱の除去を正確に記述していることがわかった。

ABSTRACT

Urban areas are known for their complex atmospheric environments, with the building morphology having a significant impact on local climate patterns, air quality, and overall urban microclimate. Understanding the heat transport and fluid flow in complex urban environments is crucial for improving urban climate resilience, which remains an open frontier in the field of urban studies. To gain a more profound insight into the physical processes occurring in urban areas, particularly within street canyons, we conducted an experimental investigation in a large-scale water tunnel. This study involved the simultaneous examination of heat and flow fields, carried out at high spatial and temporal resolutions, utilizing Laser-induced Fluorescence (LIF) for heat analysis and Particle Image Velocimetry (PIV) for flow analysis. Our results of heat and flow in different street canyons indicate that the flow is significantly influenced by a combination of factors, including canyon configuration, the presence of buoyant force, and the magnitude of the approaching flow. The ventilation rate and heat flux from the street canyon, which are key factors shaping the urban microclimate, are found dominated significantly by the street canyon morphology. For instance, changing the aspect ratio of a street canyon results in a significant change of air ventilation rate, ranging from as low as 0.02 to as high as 1.5 under the same flow conditions. Additionally, canyons with high air ventilation rates exhibit significant heat flux removal at the canyon roof level, which is accurately described by the local Richardson number.

研究の動機と目的

• 複雑な都市マイクロクライメートにおける都市ストリートキャノンの形状が流体の流れと熱輸送に与える影響を理解すること。
• ストリートキャノン内における浮力流れにおいて、速度場と温度場の高分解能で同時測定が不足しているというギャップを埋めること。
• キャノンの高さ幅比、浮力、上流からの流れが空気換気および熱フラックスに与える影響を定量化すること。
• 局所リチャードソン数がキャノン屋上部における熱フラックスの除去を記述する役割を検証すること。
• 都市気候モデリングおよび持続可能な都市設計の改善に役立つ実験データを提供すること。

提案手法

• 制御された熱的および流れの条件下で都市ストリートキャノンの流れを模擬するため、大規模なクローズド・サーキット水トンネルで実験を実施した。
• 高分解能2次元速度場測定のための同時粒子画像速度計測法（PIV）と、温度場再構築のためのレーザー誘起蛍光法（LIF）を用いた。
• シンガポールの都市形態を模倣する3次元パラメトリック都市モデルを用いて、現実的な建物配置を表現した。
• キャノンの高さ幅比（高さ対幅比）を変化させ、底面加熱を施して熱的浮力力を発生させた。
• 複雑な渦構造と熱層化を捉えるために、空間的・時間的分解能を高めた流れおよび熱の場を測定した。
• 局所リチャードソン数を計算し、浮力効果とキャノン屋上部における熱フラックスとの相関を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストリートキャノンの高さ幅比は、熱的浮力が存在する条件下で、空気換気率と流れの構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 中性流動条件と比較して、浮力力はストリートキャノン内での速度場および温度場にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 キャノンの形態は、屋上部における熱フラックスの除去にどのように影響を与えるか。また、この影響は局所リチャードソン数を用いて定量化可能か？
• RQ4 3次元都市ストリートキャノンにおいて、流れの構造、換気効率、熱層化の関係は何か？
• RQ5 PIVとLIFを同時に測定することで、点センサーと比較して、熱および流れの場の特徴づけの分解能と正確性はどの程度向上するか？

主な発見

• キャノンの高さ幅比が、同じ流れ条件下でも空気換気率を0.02から1.5の範囲で顕著に変化させている。
• 高い換気率を示すキャノンでは、屋上部での熱フラックスの除去が顕著であり、効率的な熱放出を示している。
• 局所リチャードソン数は、キャノン屋上部における熱フラックスの大きさと分布を効果的に記述しており、浮力と熱輸送の関係を結びつけている。
• 浮力力は流れの構造を顕著に変化させ、特に低高さ幅比のキャノンではコーナー渦やホースシューブ・ヴォーテックスの形成を引き起こしている。
• 同時PIV-LIF測定により、幾何形状、浮力、流れのダイナミクスの間の複雑な相互作用を露呈する、詳細で高分解能の流れおよび熱場が明らかになった。
• 本研究では、特に高さ幅比を含む形態的設計が、換気および熱除去を制御することで都市マイクロクライメートを規定する主要因であることが示された。