Evaluation and optimization of multi-scale computational fluid dynamics (CFD) for architecture, urban planning, civil and environmental engineering applications
Institution:
Paris EstDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Understanding, analyzing and predicting meteorological phenomena related to built environments are becoming more essential than ever to architectural and urban projects. This is mainly due to the necessity of finding new solutions in improving design performances in terms of the environmental impact, economic saving, comfort/safety enhancement, energy saving and sustainable energy production. The main objective of this research is to attain a multi-scale computational fluid dynamics (CFD) model (mesoscale, urban scale, architecture scale and microscale) to calculate quantities of interest such as velocity, turbulence kinetic energy, temperature, pressure, etc. in complex urban areas.In this research, we try to adopt an interdisciplinary and a scientific approach combining the fluid mechanics, architecture, urban planning and civil engineering based on physics, mathematics and computer sciences. This research consists of seven chapters. In the first chapter, a brief introduction on structure of atmospheric boundary layer and CFD is given. In the second chapter, the importance and necessity of understanding the urban flow related to the environmental challenges including the meteorological phenomena, energy generation, design optimization, security and comfort are discussed in details. Furthermore, an outline of the state of the art in numerical modeling and experimental approaches for various engineering applications is introduced. In the third chapter, the weather research and forecasting (WRF) numerical model is evaluated for mesoscale simulations. For the validation purposes, numerical sim- ulations are performed for flow in the region of Jura mountains (which represents a complex topography) and the results are compared with measurement dataset ob- tained from Jura wind park. In the fourth chapter, a validation study is conducted for the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) models and large-eddy simulation (LES) for flow over a three-dimensional idealized urban canopy and the results are compared with the wind tunnel measurements. In the second part of this chapter, CFD simulations of urban airflow around idealized high-rise buildings are conducted and the influence of building morphologies on urban neighborhood are assessed. In the fifth chapter, a very detailed evaluation of RANS turbulence models in the simula- tion of flow over an idealized elongated building, using different grid resolutions and structures is conducted and the results are compared with recently developed LES and wind tunnel experiment. In the sixth chapter, in order to show and affirm the capability of multi-scale CFD simulations in real urban environments, a coupled mesoscale with urban/architecture scale simulation of airflow over La Défense district are conducted for the urban layouts of the years 2015 and 2030. In the last chapter, the conclusions of this thesis and an outlook for possible future studies are given
Abstract FR:
La compréhension, l’analyse et la prédiction des phénomènes météorologiques concernant la planification urbaine et l’environnement construit deviennent plus importantes que jamais dans les projets urbains et architecturaux. Ceci est principalement dû à la nécessité d’améliorer la conception architecturale en termes d’impact environnemental, d’économie d’énergie, de confort thermique et de stratégies en ce qui concerne la production d’énergies renouvelables. L’objectif principal de cette recherche est de trouver un modèle mathématique pertinent de la mécanique des fluides numérique (MFN) pour calculer les variables principales de cette amélioration (comme le pattern du flux d’air, la vélocité du fluide, la pression et l’énergie cinétique turbulente). Après avoir présenté une brève introduction dans le premier chapitre, le deuxième chapitre est concentré sur l’importance et la nécessité de comprendre le flux urbain. Celui-ci est étroitement lié aux défis environnementaux, comme les phénomènes météorologiques, la production d’énergie, l’optimisation de la conception architectural- urbaine et la sécurité et le confort urbain. Le troisième chapitre se concentre sur la validation et l’application des données calculées (outputs) par le modèle météorologique méso-échelle WRF -Weather Research and Forecasting- (concernant sa capacité de calculer la vitesse et la direction du vent dans des régions de topographie complexe). Ces données sont utilisées comme des variables d’entrée (inputs) pour les simulations MFN à l’échelle urbaine et architecturale. Le quatrième chapitre a porté sur une étude concernant la validation des modèles Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) relatif aux flux sur une canopée urbaine 3D idéalisée est effectuée dans le quatrième chapitre. Les résultats sont comparés avec les données du tunnel du vent. Le cinquième chapitre met en évidence une analyse complètement détaillée des différents modèles de de turbulence RANS dans des différentes situations de maillage. Ces validations quantitatives sont essentielles afin d’atteindre la précision des modèles de turbulence pour des simulations des flux dans les environnements bâtis. Dans le chapitre 6, une association de simulations, à méso-échelle et à l’échelle urbaine/architecturale, du flux d’air dans un environnement urbain réel est réalisée afin de bien montrer les capacités des simulations MFN à différentes échelles. Le dernier chapitre est centré sur les conclusion du manuscrit et les perspectives pour des nouvelles éventuelles recherches qui découlent de ce travail de thèse