[논문 리뷰] Large Eddy Simulation of urban boundary layer flows using a canopy stress method

Jahrul Alam, Luke P. J. Fitzpatrick|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 04.

Wind and Air Flow Studies참고 문헌 28인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 도시 표면계절 흐름에서 난류 손실과 압력 항력에 기여하는 도시 거칠기 요소의 기하구조를 해상하지 않고도 정확하게 표현할 수 있도록 난류 점성 모델과 캐노피 스트레스 방법을 조합한 대규모 난류 시뮬레이션(Large-eddy simulation, LES) 방법을 제안한다. 이 방법은 변형률 및 회전 텐서를 통합하여 에너지 소산을 동적으로 조정함으로써 평균 및 난류 속도 프로파일 예측에서 몸체에 맞는 CFD 시뮬레이션과 양호한 일치를 이룩하며, 응집된 구조의 대규모 간헐성을 포착한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 개별 건물 기하구조를 해상하지 않고 도시 대기 표면계절 흐름(Urban atmospheric boundary layer, UABL)에서 난류 흐름을 효율적으로 시뮬레이션할 수 있는 계산 비용이 낮은 LES 방법론을 개발하는 것.
• 기존의 적응 메쉬 분해를 사용한 LES에서 미세한 에디스를 해상하는 데 높은 계산 비용이 발생하는 문제를 해결하는 것.
• 변형률 및 회전 텐서 기여도를 모두 포함시켜 난류 점성에 기여함으로써, 거칠기 하위층 내에서 에너지가 집중된 에디스에 동적으로 적응할 수 있도록 하여 난류 예측 정확도를 향상시키는 것.
• 캐노피 스트레스 방법을 몸체에 맞는 경계 조건을 갖춘 전통적인 CFD 접근법과 비교하여 검증하는 것.
• 이 방법이 도시 흐름 역학에서 관찰되는 응집된 구조와 대규모 간헐성을 포착할 수 있는 능력을 평가하는 것.

제안 방법

• 유속 기울기 텐서의 변형률 및 회전 텐서를 모두 포함한 동적 난류 점성 모델을 사용한 대규모 난류 시뮬레이션(Large-eddy simulation, LES)을 적용하여 소규모 스케일에서의 에너지 소산을 더 잘 포착한다.
• 건물 유사 장애물에 의한 운동량 손실과 압력 손실을 매개변수화하기 위해 캐노피 스트레스 방법을 적용하며, 표면을 해상하지 않고도 순간 속도장에 의해 그 영향을 표현한다.
• 표면층에서 난류 응력의 동적 조정을 위해 벽-적응 지역 난류 점성(WALE) 방법과 유사한 벽 모델링 접근법을 구현한다.
• 거칠기 하위층과 캐노피층 효과를 운동량 방정식에 추가된 매개변수화된 스트레스 항을 통해 모델링함으로써 몸체에 맞는 메쉬를 회피한다.
• 실제 도시 흐름과의 관련성을 확보하기 위해 레이놀즈 수 𝒪(2×10⁷)에서 시뮬레이션을 수행한다.
• 개별 거칠기 요소를 해상하는 데 블록 구조의 몸체에 맞는 메쉬를 사용한 고정밀도 CFD 시뮬레이션과 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 캐노피 스트레스 방법을 사용한 LES가 개별 건물 기하구조를 해상하지 않고 도시 표면계절 흐름에서 평균 및 난류 속도 프로파일을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 기존의 스마고린스키 모델과 비교할 때, 난류 점성 모델에 변형률 및 회전 텐서를 모두 포함시키는 것이 거칠기 하위층 내 소규모 난류 에디스의 시뮬레이션에 어떻게 향상되는가?
• RQ3 캐노피 스트레스 방법이 실제 도시 대기 흐름에서 관찰되는 대규모 간헐성과 응집된 구조를 어느 정도 잘 포착하는가?
• RQ4 캐노피 스트레스 방법은 거칠기 요소에 비틀림 경계 조건을 적용한 전통적인 CFD 접근법과 비교하여 정량적으로 어떻게 다른가?
• RQ5 이전 연구에서 보고된 그리드 인터페이스 오류를 피하기 위해, 캐노피 스트레스 방법이 적응 메쉬 분해와 함께 사용될 경우에도 안정적이고 정확한가?

주요 결과

• 캐노피 스트레스 방법은 몸체에 맞는 메쉬를 사용한 고정밀도 CFD 시뮬레이션과 비교해 수직 평균 및 난류 속도 프로파일이 강한 일치를 보였다.
• 이 방법은 응집된 구조의 시간 간헐성을 성공적으로 포착하였으며, 해상하지 않은 에너지가 집중된 에디스의 상당 부분이 여전히 동적으로 해상되고 있음을 시사한다.
• 난류 점성 모델에 변형률 및 회전 텐서를 모두 포함시킴으로써, 거칠기 하위층 내에서 에너지가 집중된 에디스의 스케일에 동적으로 적응하는 에너지 소산 조정이 가능해져 난류 모델링 정확도가 향상되었다.
• 개별 건물을 해상하지 않음으로써 계산 비용을 절감하면서도 정확도를 유지하므로, 이는 대규모 도시 흐름 시뮬레이션에 적합하다.
• 시뮬레이션은 중성 기질화 및 도시화 지역에서 관찰되는 대기 난류의 붕괴 및 폭발 사건과 일치하는 대규모 간헐성을 보였으며, 이는 실제 대기 흐름의 특성과 부합한다.
• 이 방법은 고레이놀즈 수(𝑹𝒆 ≈ 2×10⁷)에서도 정확성을 유지하여 실제 도시 대기 표면계절 흐름 조건에 적용 가능함을 입증하였다.