[논문 리뷰] Impact of street canyon morphology on heat and fluid flow-an experimental water tunnel study using simultaneous PIV-LIF technique

Yunpeng Xue, Yongling Zhao외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 08.

Wind and Air Flow Studies참고 문헌 44인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 대규모 수류 터널을 이용하여 동시에 PIV와 LIF를 적용해 고해상도로 유속장과 온도장을 측정함으로써 도시 스트리트 캐년 형상이 열 및 유동에 미치는 영향을 조사한다. 결과적으로 캐년의 높이 대 너비 비율(Aspect Ratio)이 Ventilation Rate(0.02–1.5)와 열역학적 열역학에 결정적인 영향을 미치며, 국소 리처드슨 수는 지붕 수준에서의 대류 열 제거를 정확히 기술한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 도시 미기후에서 스트리트 캐년 형상이 유동 및 열 이동에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 스트리트 캐년 내 부력 유동에서 유속장과 온도장을 동시에 고해상도로 측정한 자료의 부족을 보완하기 위해.
• 캐년의 높이 대 너비 비율, 부력, 유입 유동이 공기 환기 및 열역학에 미치는 영향를 정량화하기 위해.
• 국소 리처드슨 수가 캐년 지붕 수준에서의 열역학적 열 제거를 기술하는 데서의 역할을 검증하기 위해.
• 도시 기후 모델링 향상 및 지속 가능한 도시 설계를 위한 실험 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• 제어된 열 및 유동 조건 하에서 도시 스트리트 캐년 유동을 시뮬레이션하기 위해 대규모 폐쇄형 수류 터널에서 실험을 수행하였다.
• 고해상도 2차원 유속장 측정을 위해 동시 PIV(입자 이미지 속도 측정)를, 온도장 재구성을 위해 레이저 유도 형광(LIF)을 적용하였다.
• 싱가포르의 도시 형상과 유사한 3차원 매개변수형 도시 모델을 사용하여 실제적인 건물 배치를 표현하였다.
• 캐년의 높이 대 너비 비율을 변화시키고, 바닥 가열을 적용하여 열부력력을 유도하였다.
• 복잡한 소용돌이 구조와 열층화 현상을 포착하기 위해 고공간 및 고시간 해상도로 유동 및 열장 측정을 수행하였다.
• 국소 리처드슨 수를 계산하여 부력 효과와 캐년 지붕 수준의 열역학과의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열부력이 존재하는 조건에서 스트리트 캐년의 높이 대 너비 비율이 공기 환기율과 유동 구조에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 중성 유동 조건에 비해 부력력이 스트리트 캐년 내 유속장과 온도장에 미치는 영향는 어느 정도인가?
• RQ3 캐년 형상은 지붕 수준에서의 열역학적 열 제거에 어떻게 영향을 미치며, 이는 국소 리처드슨 수로 정량화될 수 있는가?
• RQ4 3차원 도시 스트리트 캐년에서 유동 구조, 환기 효율성, 열층화 간의 관계는 어떠한가?
• RQ5 동시 PIV와 LIF 측정은 점 센서에 비해 열장 및 유동장 특성화의 해상도와 정확도를 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 캐년의 높이 대 너비 비율이 공기 환기율에 결정적인 영향을 미치며, 동일한 유동 조건에서 0.02에서 1.5까지 변화를 보였다.
• 높은 환기율을 보이는 캐년에서는 지붕 수준에서 강력한 열역학적 열 제거가 관찰되어 효율적인 열 방출이 이루어짐을 시사한다.
• 국소 리처드슨 수는 캐년 지붕 수준에서의 열역학적 열 제거의 크기와 분포를 효과적으로 기술하며, 부력과 열역학적 이동을 연결한다.
• 부력력은 유동 구조를 크게 변화시켜, 특히 저높이 대 너비 비율 캐년에서 모서리 소용돌이와 말발굽 소용돌이의 형성을 유도한다.
• 동시 PIV-LIF 측정을 통해 기하학, 부력, 유동 역학 간의 복잡한 상호작용을 노출하는 세밀하고 고해상도의 유동 및 열장 데이터를 확보하였다.
• 이 연구는 형상 설계, 특히 높이 대 너비 비율이 환기 및 열 제거를 제어함으로써 도시 미기후를 형성하는 데 지배적인 역할을 한다고 밝혔다.