[논문 리뷰] The time-evolving impact of tree size on nighttime street canyon microclimate: Wind tunnel modeling of aerodynamic effects and heat removal

Yongling Zhao, Haiwei Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 13.

Wind and Air Flow Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 풍동 실험을 통해 나무 성장(특히 잎 덮개 증가 및 상대 높이 0.32–1.1× 협곡 높이)이 시간에 따라 변화하는 야간 도시 협곡 미기후에 미치는 영향을 조사한다. 결과적으로 중간 및 대형 나무는 동온 조건에서 유동 기울기층과 소용돌이를 약화시켜 협곡 환기를 감소시키지만, 극심한 고온 조건에서는 부력에 의해 유도되는 유동이 억제되어 보행자 수준에서 열을 갇히게 하여 실측 조건에서 공기 온도가 1.5°C 상승하는 현상을 유발한다.

ABSTRACT

Urban trees play a crucial role in urban climate in many aspects. However, existing research has not adequately explored the impact from a time-evolving perspective, that is, tree growth over time. To bridge this research gap, this study investigates in a wind tunnel the effects of tree-to-canyon foliage cover and relative height (0.32-1.1 times canyon height), mimicking growth of trees, on conditions in street canyons during moderate and extreme heat. The results reveal that trees may affect canyon-wide ventilation and heat removal in two different scenarios. First, when canyons are in isothermal conditions, medium and large trees, that fill half the canyon height or reach slightly above the canyon, decelerate the shear layer and weaken the vortical flow, as a result reducing the canyon-wide ventilation. Second, in extreme heat conditions, medium and large trees trap heat at the pedestrian level due to the blockage of air entrainment and the suppression of upward buoyancy-driven flow from the ground surface. An air temperature rise that corresponds to 1.5 degree Celsius in a full-scale urban setting is observed in measurements. These observations suggest that urban trees' foliage cover must be managed for a canyon's optimal ventilation and heat removal during nighttime.

연구 동기 및 목표

• 야간 동안 나무 성장의 시간에 따른 영향을 도시 협곡 미기후에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 나무의 잎 덮개와 상대 높이 변화가 협곡 전체의 환기 및 열 제거에 미치는 영향을 검토하기 위해.
• 도시 협곡에서의 도시 냉각 및 대기질 향상을 위한 최적의 나무 관리 전략을 규명하기 위해.
• 기존 연구에서 다루지 않은 도시 나무 성장의 동적이고 장기적인 미기후에 대한 영향에 대한 격차를 메우기 위해.

제안 방법

• 나무의 협곡 대비 잎 덮개 비율과 상대 높이(0.32–1.1× 협곡 높이)를 변화시킨 협곡을 시뮬레이션하기 위해 풍동 실험이 수행되었다.
• 실제 나무의 기계적 특성을 모방하기 위해 다공성 섬유 유사 재료로 만든 인공 나무가 사용되었으며, 다공성 비율과 압력 손실 계수를 제어하였다.
• 두 가지 열 조건을 시험: 동온 조건과 지면 수준에서의 부력이 작용하는 극심한 고온 조건.
• 협곡 내 기류 패턴과 속도장을 측정하기 위해 입자 영상 속도측정(PIV) 기법이 사용되었다.
• 보행자 수준의 온도 측정을 통해 열 축적 및 제거 효율성을 평가하였다.
• 결과는 실도시 조건으로 스케일링되어 실제 도시 미기후 영향을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나무 성장이 시간에 따라 변화함에 따라 야간 도시 협곡 전체의 환기에는 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 나무의 잎 덮개와 상대 높이는 기울기층과 소용돌이와 같은 기류 구조를 어떻게 변화시키는가?
• RQ3 극심한 열 조건에서 나무는 도시 협곡의 열 제거에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 부력에 의해 유도되는 유동이 억제됨으로써 나무는 보행자 수준에서 열을 얼마나 많이 갇히게 하는가?
• RQ5 극심한 고온 조건에서 나무에 의해 유도된 기류 억제로 인해 보행자 수준에서 공기 온도가 얼마나 상승하는가?

주요 결과

• 중간 및 대형 나무가 협곡 높이의 절반 정도를 메우거나 약간 넘어서 뻗어나갈 경우, 동온 조건에서 기울기층의 감속과 소용돌이 흐름의 약화로 인해 협곡 전체 환기가 크게 감소한다.
• 극심한 고온 조건에서는 나무가 상향 부력에 의해 유도되는 유동을 억제하고 공기 혼입을 차단하여 보행자 수준에서 열이 축적된다.
• 실도시 조건에서 나무에 의해 기류가 억제되면서 보행자 높이에서 측정 가능한 공기 온도 상승 1.5°C가 관찰되었다.
• 더 높은 잎 덮개 비율과 더 큰 상대 높이(최대 1.1× 협곡 높이)를 가진 나무는 더 강한 기계적 저항을 보이며 공기 교환과 열 방출을 감소시킨다.
• 나무에 의해 난류 혼합과 수직 기류 운동이 억제되어 열 제거 효율이 떨어지며, 특히 열층화가 가장 강한 야간에 두드러진다.
• 이러한 발견들은 관리되지 않은 나무 성장은 도시 협곡에서 열섬 현상을 악화시킬 수 있음을 시사하며, 특히 폭염 기간에 더욱 그렇다.