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OpenFOAM

Einleitung

Für LES-Rechnungen im Nahfeld einzelner Gebäude (z.B. Ausbreitung aus einem Schornstein über einem Satteldach) sowie in Innenräumen (z.B. U-Bahnstation) nutzt das Büro Lohmeyer das Modell OpenFOAM (Open Source Field Operation and Manipulation). Dank seines flexiblen Modellgitters kann OpenFOAM die Strömung und Ausbreitung um beliebig geformte Objekte berechnen, z.B. Schrägdächer. Dank dieser Eigenschaft ist OpenFOAM für den Einsatz in der gutachterlichen Praxis bestens geeignet. Im RANS-Modus wurde OpenFOAM bereits erfolgreich von Franke et al. (2012) validiert.

Anwendungsbeispiel

Als Anwendungsbeispiel sei die Schadstoffausbreitung im Nachlauf eines Einzelgebäudes mit Satteldach in einer neutral geschichteten atmosphärischen Grenzschicht aus einem Windkanalexperiment von Heise (2012) mit einer OpenFOAM Large-Eddy Simulation gezeigt. Das Gebäude ist 12 m lang, 16 m breit, die Traufe befindet sich in H = 4 m und der First in 7.5 m Höhe. Das Satteldach hat eine Neigung von 30°. Die Anströmung in Abb. 1 erfolgt von links nach rechts. Abb. 1 zeigt eine Momentaufnahme der Ausbreitung eines Schadstoffs, der aus einem (nicht sichtbaren) Schornstein mittig über dem leeseitigen Dach emittiert wird. Die Schornsteinöffnung befindet sich 3.1 m über dem First. Dies lässt eine Emission außerhalb des Gebäudenachlaufs (Rezirkulationszone) erwarten. Die mittlere Konzentrationsverteilung in Abb. 2 bestätigt dies. Die Animation in Vid. 1 zu dieser Simulation zeigt jedoch, wie in Realität erwartet, immer wiederkehrende Episoden wie in Abb. 1, in denen Teile der Schadstoffwolke in den turbulenten Nachlauf des Gebäudes eingemischt werden und in der damit verbundenen Rückströmung bis zur leeseitigen Gebäudewand zurück transportiert werden. Der betroffene Bereich unterhalb der Quelle weist im zeitlichen Mittel Werte zwischen 1% und 1‰ der quellnahen Konzentration auf (Abb. 2). Die momentanen Spitzenkonzentrationen während der Episoden wie in Abb. 1 sind jedoch um ein Vielfaches höher und daher für die Frage der Geruchswahrnehmungshäufigkeit entscheidend.


Abb. 1: 3D-Momentaufnahme der Ausbreitungsfahne (vgl. Vid. 1). Die Quellposition ist schwarz markiert. Die Farbskala beschreibt die Windgeschwindigkeitskomponente in Strömungsrichtung (von links nach rechts), blau bedeutet Rückströmung.



Abb. 2: Mittlere Konzentrationsverteilung in der Symmetrieebene. Die Farbverteilung ist logarithmisch, der Faktor zwischen benachbarten Isolinien beträgt jeweils 10.


Vid. 1: Animation der Ausbreitungsfahne (vgl. Abb. 1). Die Quellposition ist grau markiert. Die Farbskala beschreibt die Windgeschwindigkeitskomponente in Strömungsrichtung (von links nach rechts), blau bedeutet Rückströmung.

Abweichend von der in Abb. 1, 2 und Vid. 1 gezeigten Quellposition wird im Folgenden das Szenario einer Ausbreitung von einer bodennahen Quelle Q1 betrachtet, die sich 4 m im Lee des Gebäudes in der Symmetrieebene befindet. Abb. 3 zeigt einen Vergleich von Vertikalprofilen der normierten Skalarkonzentration C* in verschiedenen Abständen im Lee des Gebäudes in der Symmetrieebene. C* ist definiert als

C^*=\frac{c\:U_{ref}\:L_{ref}^2}{Q}

mit der lokalen Konzentration c, der Geschwindigkeit im Referenzniveau (40 m) Uref, der Referenzlänge Lref = 1 m und der Quellstärke Q. Der Vergleich dokumentiert eine qualitativ und quantitativ gute Übereinstimmung zwischen dem Windkanalexperiment von Heise (2012) und den Daten der OpenFOAM LES-Rechnung. Lediglich beim gebäudenächsten Profil liegen die LES-C*-Werte leicht oberhalb des Konfidenzintervalls der Windkanalmessungen.


Abb. 3: Vertikalprofile der normierten Konzentration C* im Lee des Gebäudes, Vergleich zwischen Messungen im Windkanal (WK) und Simulationsergebnissen (LES). Die Quelle Q1 befindet sich bodennah 4 m im Lee des Gebäudes in der Symmetrieebene (schwarz markiert in der Skizze der Messanordnung oben rechts). Modifiziert nach Heise (2012).

Die Profile der Windgeschwindigkeitskomponenten in Strömungs- und Querrichtung in Abb. 4 und Abb. 5 zeigen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen dem Windkanalexperiment von Heise (2012) und den Daten der OpenFOAM LES-Rechnung.



Abb. 4: Longitudinale  Profile  der  dimensionslosen  Geschwindigkeitskomponenten  u  und  v  bei y = 0 m (d.h. in der Symmetrieebene) in vier verschiedenen Messhöhen z = 1 m,  2 m,  4 m, 8 m  über  Grund.  (a)  u-Komponente,  (b)  v-Komponente,  beide gemessen  im  Windkanal (entnommen aus Heise, 2012),  (c)  u-Komponente,  (d)  v-Komponente,  berechnet  mit OpenFOAM.



Abb. 5: Laterale Profile  der  dimensionslosen  Geschwindigkeitskomponenten  u  und  v  bei x = 5 m (d.h. 5 m hinter dem Gebäude) in drei verschiedenen Messhöhen z = 1 m,  2 m,  4 m  über  Grund.  (a)  u-Komponente,  (b)  v-Komponente,  beide gemessen  im  Windkanal (entnommen aus Heise, 2012),  (c)  u-Komponente,  (d)  v-Komponente,  berechnet  mit OpenFOAM.

Anwendungsszenarien

Anwendungsszenarien für LES-Rechnungen mit OpenFOAM sind beispielsweise Gutachten zur Strömungs- und Konzentrationsverteilung im Nahfeld von Gebäuden bei anspruchsvollen Fragestellungen wie z.B. Geruchswahrnehmungshäufigkeit, Windkomfort oder windsensitive Beschattung von Gebäudefassaden. Auch für die Frage der optimalen Platzierung der Schornsteine von kleinen Feuerungsanlagen sowie der optimalen Schornsteinhöhe kann diese Modellierungstechnik eingesetzt werden.

Mit der im Haus verfügbaren Hardware ist das Büro Lohmeyer in der Lage, eine OpenFOAM LES-Rechnung mit Gebäudeumströmung für ein Unter­suchungs­gebiet der Größe von 400 m x 400 m zuzüglich sanfter Anmodellierung der Topographie stromauf und stromab mit einer Gitterweite von ca. 3 m (Grundgitter) bis hin zu ca. 1 m (lokale Gitterverfeinerung) mit einer Rechenzeit von wenigen Tagen pro Windrichtung durchzuführen.

Kooperationen

  • Prof. Bernd Leitl, Universität Hamburg, Windkanal am Meteorologischen Institut
  • Prof. Andreas Pflitsch, Ruhr-Universität Bochum, Geographisches Institut, AG Höhlen- und U-Bahn-Klimatologie
  • Dr. Zheng-Tong Xie, University of Southampton, Engineering Sciences, Computational Modelling Group
  • Dr.-Ing. Jörg Franke, Vietnamese-German University, Computational Engineering
  • Dipl.-Ing Ludwig Ilg, Ilg Engineering, Horgen, Schweiz

Projekte

  • MAusKaT: Messsystem zur Ermittlung der Ausbreitung von Gefahrstoffen in kritischen Infra- und komplexen Gebäudestrukturen zur Vermeidung ziviler Katastrophen. (BMBF Förderkennzeichen: 13N11676)

  • Large-Eddy Simulation von Böenwindgeschwindigkeiten am Hauptsitz der Helvetia-Gruppe in St. Gallen – Vergleich mit Freilandmessungen aus 2002 und Berechnung für ein Planszenario.
    Auftraggeber: Ilg Engineering, Horgen, Schweiz.
    Kooperationspartner: Herzog & de Meuron, Basel, Schweiz.

Literatur

  • Franke, J., Sturm, M. &  Kalmbach, C. (2012): Validation of OpenFOAM 1.6.x with the German VDI guideline for obstacle resolving micro-scale models. J. Wind Eng.  Ind.  Aerodyn., 104-106, 350-359.
  • Heise,  S. (2012):  Untersuchungen  zur  Nahfeldausbreitung  von  Emissionen  aus  Kleinfeuerungsanlagen. Masterarbeit am Windkanal der Universität Hamburg, 93 S.
  • Xie, Z. T. & Castro, I. P. (2008): Efficient generation of inflow conditions for large eddy simulation of street-scale flows. Flow Turbulence Combust., 81, 449-470.

Quelle

Diese Seite ist eine erweiterte Version basierend auf einem Beitrag in der Hauszeitung "LOHMEYER aktuell", Ausgabe Nr. 29 vom Mai 2013.

Für Fragen steht Ihnen Herr Dr. rer.nat. Marcus Letzel unter Tel. 0721 / 62510-25 oder per E-Mail unter info.ka(at)lohmeyer.de zur Verfügung.