• wind climate,
  • construction

Gevoeligheidsanalyse CFD simulaties voor lokaal windklimaat

Bij One Simulations hebben we veel ervaring met het onderzoeken en beoordelen van het lokale windklimaat aan de hand van CFD simulaties. We hebben een efficiënte en accurate methode ontwikkeld en gecontroleerd via een gevoeligheidsanalyse. Bij een gevoeligheids-
analyse wordt dezelfde simulatie meerdere malen uitgevoerd en slechts één basis parameter veranderd om te zien wat voor effect dit heeft op het resultaat.

Windklimaat studies worden uitgevoerd via CFD simulaties om snel en accuraat het windklimaat inzichtelijk te maken voordat een nieuw gebouw wordt gebouwd. One Simulations heeft hier een efficiënte methode voor ontwikkeld waarmee het windklimaat kan worden beoordeeld volgens verschillende standaarden zoals de NEN8100 of de Lawson Criteria. Door middel van een gevoeligheidsanalyse is extra kennis vergaard over windstudies en de gebruikte simulatiemethode. De resultaten van de gevoeligheidsanalyse zijn hieronder weergegeven.

De gevoeligheidsanalyse is uitgevoerd voor de volgende vijf parameters:

  • Omvang gemodelleerd gebied
  • Verfijning van het aantal windsectoren in de windroos
  • Rekengridverfijning
  • Tijdsafhankelijkheid (RANS/URANS)
  • Referentiesnelheid

Hieronder zijn de resultaten van de gevoeligheidsanalyse per parameter weergegeven. Onder de afbeeldingen staat een korte analyse van de resultaten. Onder de kop “Beoordeling windklimaat” wordt beschreven hoe de kleurschalen van de figuren zijn gedefinieerd.

Resultaten gevoeligheidsanalyse

  • Volgens de NEN8100 voor het toetsen van het lokale windklimaat dient de bebouwing binnen een straal van 300 meter om het gebouw van interesse meegenomen te worden in de CFD simulatie. De verwachting was dat de straal en daarmee de hoeveelheid bebouwing invloed heeft op het resultaat. Daarom is het effect van een radius van 300, 400 en 500 meter onderzocht.
  • De CFD resultaten voor de verschillende stralen laten een duidelijk effect op het windklimaat zien. Met name het verschil in het windklimaat tussen de straal van 300 m en 400 m laat zien dat de extra bebouwing (aan de zuid-west zijde) ervoor zorgt dat de lucht minder versnelt.
  • Geconcludeerd wordt dat de omvang van het gemodelleerd gebied veel invloed kan hebben op het lokale windklimaat. Geadviseerd wordt om per windrichting te bekijken of er stroomopwaarts bebouwing aanwezig is die invloed kan hebben op de luchtstroming. Zo ja, dan dient de gekozen straal van het gemodelleerde gebied hierop aan te worden gepast.
  • In de NEN8100 wordt de windroos verdeeld in twaalf windsectoren, elk bestaand uit 30 graden.
  • In dit onderzoek wordt de invloed onderzocht van het opdelen van de windroos in 36 windsectoren, elk bestaand uit 10 graden.
  • De hierboven gepresenteerde windrozen geven het percentage weer dat de wind uit de desbetreffende windrichting komt in een gemiddeld jaar. De verfijning van het aantal windsectoren laat al een groot verschil tussen de windrozen zien.
  • Bij het vergelijken van de twee resultaten is te zien dat het toevoegen van windsectoren een effect heeft op het windklimaat.
  • Het verfijnen van het aantal windsectoren zorgt ervoor dat het effect van straten die in lijn lopen met een veel voorkomende windrichting minder groot wordt.
  • Het toevoegen levert niet alleen een realistischer resultaat op, maar kan ook zorgen voor een positiever windklimaat.
  • In dit onderzoek is, binnen het gebied van interesse, het rekengrid stapsgewijs verfijnd door de element grootte steeds te halveren.
  • Op de figuren hierboven wordt de windfactor (lokale snelheid t.o.v. referentiesnelheid) weergegeven voor windrichting 270 met in de laatste figuur de bijbehorende schaalbar.
  • Zoals te zien op de figuren is de invloed van de toegepaste verfijning minimaal op de windfactor en dus het algemene windklimaat. Dit weegt daarom niet op tegen de extra rekentijd die komt kijken bij een verfijnd rekengrid.
  • Indien een zeer nauwkeurig windklimaat vereist is in nauwe gebieden zoals balkons of een kleine binnenplaats wordt wel aangeraden op die plek het rekengrid te verfijnen.
  • De luchtstromen in een bebouwde omgeving fluctueren in de tijd. Voornamelijk in de luwte en op een hoek van een gebouw ontstaan wervels. Toch is het gebruikelijk om simulaties uit te voeren met de Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) vergelijkingen, waarbij het resultaat een momentopname van het stromingsbeeld is.
  • Er is onderzocht wat de invloed is van het toepassen van Unsteady RANS (URANS) vergelijkingen, waarin een tijdscomponent is opgenomen en dus grote stromingsfluctuaties kunnen worden gemiddeld over de tijd.
  • Het resultaat van een URANS simulatie is dus een tijdsgemiddelde van het stromingsbeeld, terwijl het resultaat van een RANS simulatie een momentopname is.
  • De resultaten tussen deze twee methodes zijn vergelijkbaar en er is geen significant verschil gevonden. Een RANS simulatie kan goed worden toegepast voor het windklimaat onderzoek.
  • Om het windklimaat te kunnen beoordelen wordt met CFD simulaties de windfactor berekend. De windfactor geeft weer hoeveel de luchtsnelheid versnelt of vertraagt ten opzichte van een referentie snelheid gemeten in de vrije luchtstroom op 10 meter hoogte.
  • In dit onderzoek is gekeken naar het effect van het variëren van de referentie- of basissnelheid. Ondanks dat het Reynoldsgetal al relatief hoog is, is gekeken naar het effect van het veranderen van de basissnelheid tussen 2, 5 en 10 m/s.
  • De CFD resultaten laten zien dat het variëren van de basissnelheid kleine verschillen oplevert, maar dat de beoordeling van het windklimaat niet verandert.

In dit onderzoek zijn de simulatieresultaten geanalyseerd aan de hand van de windfactor en windhinder.

  • De windfactor geeft weer hoeveel de luchtsnelheid versnelt of vertraagt ten opzichte van de referentie snelheid.
  • Windhinder is gedefinieerd volgens de NEN8100 en wordt weergegeven op basis van de lokale hoeveelheid overschrijding van de drempelwaarde voor windhinder (5 m/s) over een gemiddeld jaar. In het onderzoek is gekeken naar de resultaten in een straal van 150 m rondom de nieuwbouwontwikkeling.

Alle resultaten, op de kop “Rekengrid verfijning” na, geven het windklimaat op basis van windhinder weer. De bovenstaande schaal, gedefinieerd volgens de NEN 8100, is toegepast.

Onder de kop “Rekengrid verfijning” staat een aparte schaalbar weergegeven.

Meer weten over windklimaat simulaties?