[論文レビュー] Large Eddy Simulation of urban boundary layer flows using a canopy stress method

Jahrul Alam, Luke P. J. Fitzpatrick|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2017

Wind and Air Flow Studies参考文献 28被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、都市境界層流れのための大規模済乱流れ（LES）法を提案する。この手法は、乱流のエネルギー散逸を動的に適応させるために、ひずみテンソルと回転テンソルの両方を組み込んだエディック粘性モデルと、植生ストレス法を組み合わせ、建物の幾何形状を解像しないまま、都市の粗大要素に起因する運動量損失と圧力抗力の正確な表現を実現する。平均および乱流速度プロファイルの予測において、ボディ適合型CFDシミュレーションと良好な一致を示し、コherent構造の大型間欠性を捉えている。

ABSTRACT

Large-eddy simulation (LES) of a turbulent flow through an array of building-like obstacles is an idealized model to study transport of contaminants in the urban atmospheric boundary layer (UABL). A reasonably accurate LES prediction of turbulence in such an UABL must resolve a significant proportion of the small but energetic eddies in the roughness sublayer, which remains prohibitive even though computational power has been increased significantly. In this article, we present a large-eddy simulation methodology to study turbulence in UABLs, where the turbulence closure is based on coupling the eddy viscosity method with the canopy stress method. Unlike the classical Smagorinsky model that considers only the strain portion of the velocity gradient tensor, we consider both the strain tensor and the rotation tensor to compute the eddy viscosity. This allows us to dynamically adapt the rate of energy dissipation to the scales of the energetic eddies in the roughness sublayer. Without employing a mesh conforming to the urban roughness elements, the effect of such solid bodies are represented in the LES model through a canopy stress method in which the loss of pressure and the sink of momentum due to the interaction between eddies and roughness elements are parameterized using the instantaneous velocity field. Simulation results of the proposed canopy stress method is compared with that of a conventional Computational Fluid Dynamics (CFD) method employing a block-structured mesh conforming around the roughness elements. For urban flow simulations, the results demonstrate that the proposed canopy stress model is accurate in predicting vertical profiles of mean and variance, as well as the temporal intermittency of coherent structures.

研究の動機と目的

• 個々の建物の幾何形状を解像しない都市大気境界層（UABL）における乱流流れをシミュレートする計算効率の高いLES手法を開発すること。
• 従来のLESに適応メッシュ細分化を適用した場合に生じる粗大要素の近傍における小スケール渦の解像にかかる高コストな計算負荷の課題に対処すること。
• エディック粘性にひずみと回転テンソルの両方の寄与を組み込むことで、粗大要素層内のエネルギーの動的適応を可能にし、乱流予測の精度を向上させること。
• 粗大要素にスリップなし境界条件を適用した従来のボディ適合型CFD手法と比較して、植生ストレス法の妥当性を検証すること。
• 都市流動のダイナミクスにおけるコherent構造および大規模な間欠性を同定する手法の能力を評価すること。

提案手法

• 速度勾配テンソルのひずみおよび回転テンソルを組み込んだ動的エディック粘性モデルを用いた大規模済乱流れ（LES）を実施し、小スケールでのエネルギー散逸をよりよく捉える。
• 建物に類似した障害物に起因する運動量源および圧力損失をパラメータ化するための植生ストレス法を適用し、表面を解像しないでその影響を瞬時の速度場によって表現する。
• 表面層における乱流応力の動的調整を可能にするために、壁適応局所エディック粘性（WALE）法に類似した壁モデリング手法を採用する。
• ボディ適合メッシュを避けるために、粗大要素層および植生層の影響を、運動量方程式に追加するパラメータ化された応力項によって表現する。
• 実都市流れに相当する代表性を持つよう、Reynolds数 𝒪(2×10⁷) でのシミュレーションを実施する。
• 個々の粗大要素を解像するブロック構造のボディ適合メッシュを用いた高精度CFDシミュレーションと結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 建物の幾何形状を解像しないLESにおける植生ストレス法が、都市境界層における平均および乱流速度プロファイルを正確に予測できるか？
• RQ2 エディック粘性モデルにひずみおよび回転テンソルの両方を組み込むことで、古典的スマゴリンスキー・モデルと比較して、粗大要素層内の小スケール乱流渦のシミュレーションがどの程度改善されるか？
• RQ3 植生ストレス法が、現実の都市大気流れで観察される大規模な間欠性およびコherent構造をどの程度正確に捉えられるか？
• RQ4 植生ストレス法は、粗大要素にスリップなし境界条件を適用した従来のCFD手法と比較して、定量的にどの程度優れているか？
• RQ5 植生ストレス法は、先行研究で報告されたグリッド界面エラーを回避するように、適応メッシュ細分化と組み合わせても、依然として頑健で正確であるか？

主な発見

• 植生ストレス法は、ボディ適合メッシュを用いた高精度CFDシミュレーションと一致する垂直方向の平均および乱流速度プロファイルを生成した。
• この手法は、コherent構造の時間的間欠性を適切に捉えており、解像されていないがエネルギーの高い渦の大部分が動的に解像されていることを示している。
• エディック粘性モデルにひずみと回転テンソルの両方を組み込むことで、粗大要素層内のエネルギーの高い渦のスケールに応じたエネルギー散逸の動的適応が可能となり、乱流モデルの精度が向上した。
• 個々の建物の解像を避けることで計算コストを削減しながらも、精度を維持できるため、大規模都市流動シミュレーションに適している。
• シミュレーションは、大気乱流における崩壊および発生イベントに類似した大規模な間欠性を示しており、中性層型安定性および都市化地域においても観察された。
• 本手法は、高Reynolds数（𝑹𝒆 ≈ 2×10⁷）においても正確に保たれ、実世界の都市大気境界層条件への適用可能性を示している。