Metoda simulacije velikih vrtloga za uticaje vetra u urbanim sredinama

[K.O. Kostadinović Vranešević]

XXI, 162 str.

Civil Engineering - Engineering Mechanics and Theory of Structures / Грађевинско инжењерство - Техничка механика и теорија конструкција

Wind is a powerful natural force that presents both challenges and opportunities in urban environments. The layout of streets and the geometry of buildings shape complex flow patterns. This dissertation explores how these patterns impact urban wind energy harvesting and wind loading on high-rise buildings, offering insights for sustainable urban planning and design. Two approaches can be employed to study wind flow: experimental and numerical. This research focuses on the large-eddy simulation (LES) method, a leading high-precision numerical technique, used to analyse wind flow around either an isolated high-rise building or a cluster of five. Existing wind tunnel tests are employed to validate the numerical simulations. The research examines two wind angles (0°/45°) and two roof types (flat/decked). Findings on urban wind energy reveal that decked roofs offer a higher potential of wind energy than flat ones, as they stabilise flow and create high-speed, low-turbulence zones. In building clusters, interference effects may enhance wind energy potential. Regarding turbine type, vertical-axis wind turbines prove to be optimal. For wind loading, a validation framework for LES-based peak pressure predictions is proposed. Uncertainty analysis from 11-hour experimental data confirms that shorter LES durations (e.g., 25 min) reliably capture peak pressures. Statistical analysis identifies the Gumbel method as more reliable than the peaks-over-threshold approach. Discrepancies between LES and experimental results near upwind roof corners highlight the need for case-specific validation. LES is confirmed as an effective method for simulating urban wind flow. Future work should refine geometry, expand to complex settings, and improve peak pressure estimation. An essential step forward in LES modelling is the development of official guidelines for creating and validating simulations.

Ветар је моћна природна сила која представља изазове, али и могућности у урбаним срединама. Распоред улица и геометрија зграда обликују сложене обрасце тока ветра. Ова дисертација истражује како ти обрасци утичу на убирање енергије ветра у урбаним срединама и оптерећење ветром на високе зграде, пружајући смернице за одрживо урбанистичко планирање и дизајн. За проучавање струјања ветра могу се користити два приступа: експериментални и нумерички. Ово истраживање се фокусира на методу симулације великих вртлога (LES), високо-прецизну нумеричку технику, примењену на проучавање тока ветра око високих зграда, било изолованих или у кластеру од пет. Постојећа испитивања у аеротунелу се користе за валидацију нумеричких симулација. Анализирају се два угла ветра (0°/45°) и два типа крова (раван/закошен). Резултати указују да закошени кровови имају већи потенцијал енергије ветра од равних, јер стабилизују ток и стварају зоне велике брзине са ниском турбуленцијом. У кластерима, утицај суседних објеката може додатно повећати енергетски потенцијал. Такође, као најпогодније су се показале ветротурбине са вертикалном осом. За оптерећење ветром, предложен је оквир за валидацију процењених вршних коефиције- ната притиска из LES-a. Анализа непоузданости из 11 сати експерименталних података показује да краће LES симулације (нпр. 25 мин) поуздано предвиђају ове вредности. Статистичка анализа указује да је Гумбелов метод поузданији од методе прекорачења прага. Одступања између LES-a и експеримената у близини наветрених ивица крова истичу потребу за валидацијом сваког посматраног случаја. LES је потврђен као ефикасан метод за симулацију струјања ветра у урбаним срединама. Будућа истраживања треба да укључе детаљнију геометрију модела, сложенија окружења и унапреде процену вршних притисака. Есенцијални корак напред у примени LES-a је развој званичних смерница за креирање и валидацију симулација.

atmospheric boundary layer, computational fluid dynamics (CFD), large eddy simulation (LES), high-rise building, turbulent flow, interference effects, urban wind energy, wind loading, peak pressure coefficient, uncertainty quantification

атмосферски гранични слој, рачунарска динамика флуида (CFD), симу- лација великих вртлога (LES), висока зграда, турбулентни ток, утицај суседних објеката, урбана енергија ветра, оптерећење ветром, коефицијент вршног притиска, анализа непо- узданости

624.042.4(043.3)

Tekst