VDI 3783 Blatt 10-2010 Environmental meteorology - Diagnostic microscale wind field models - Air-flow around buildings and obstacles.pdf

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1、wVEREIN DEUTSCHERINGENIEUREUmweltmeteorologieDiagnostische mikroskalige WindfeldmodelleGebude- und HindernisumstrmungEnvironmental meteorologyDiagnostic microscale wind field modelsAir-flow around buildings and obstaclesVDI 3783Blatt 10 / Part 10Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/DIN-Hand

2、buch Reinhaltung der Luft, Band 1b: UmweltmeteorologieVDI-RICHTLINIENZu beziehen durch / Available atBeuth VerlagGmbH, 10772 Berlin AlleRechtevorbehalten / Allrights reserved VereinDeutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf2010Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nicht gestattet / Reproduction eve

3、n for internal use not permittedDer Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundes-anzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen.Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 13.040.01Mrz 2010 March 2010The draft of this guideline has been subject to public scruti

4、ny after announcement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette).The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation. Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . .

5、 . . . . . . 32Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Modellbeschreibung . . . . . . . . . . . . . . 115.1 Initialwindfeld. . . . . . . . . . . . . . . . 115.2 Divergenzfreies Windfe

6、ld . . . . . . . . . . 126 Eingangsgren . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Fehlermglichkeiten, Genauigkeit, Grenzen der Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . 158.1 Fehlermglichkeiten, Genauigkeit . . . . . 158.2 Grenzen der Anwendung . . .

7、. . . . . . . 16Anhang A Hindernisdatei und geometrische Modellparameter. . . . . . . . . . . . 18A1 Datengrundlage . . . . . . . . . . . . . . . 18A2 Gre des Simulationsgebiets (horizontale Ausdehnung) . . . . . . . . . 18A3 Orientierung des Simulationsgebiets . . . . 18A4 Hhe des Simulationsgebiet

8、s . . . . . . . . 18A5 Maschenweiten . . . . . . . . . . . . . . . 18A6 Erstellen einer Hindernisdatei. . . . . . . . 19Anhang B Das ungestrte Anstrmprofil . . . . . 20Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Terms and

9、definitions . . . . . . . . . . . . . 43Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Principles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Description of model . . . . . . . . . . . . . 115.1 Initial wind field . . . . . . . . . . . . . . 115.2 Non-divergent wind field. . . . . . . . . . 126 In

10、put variables . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Possibilities of error, accuracy, limits of application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158.1 Possibilities of error, accuracy . . . . . . . 158.2 Limits of application . . . . . . . . . .

11、 . . 16Annex A Obstacle file and geometric model parameters . . . . . . . . . . . . . . . 18A1 Basis of the data . . . . . . . . . . . . . . 18A2 Size of the simulation area (horizontal extent) . . . . . . . . . . . . . 18A3 Orientation of the simulation area . . . . . 18A4 Height of the simulation

12、area . . . . . . . 18A5 Mesh sizes . . . . . . . . . . . . . . . . . 18A6 Creation of an obstacle file. . . . . . . . . 19Annex B The undisturbed profile of approach flow . . . . . . . . . . . . . 20Frhere Ausgaben: 12.01;06.09 Entwurf,deutschFormereditions:12/01;06/09 Draft, inGermanonlyKommission

13、Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdLFachbereich UmweltmeteorologieB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 2 VDI 3783 Blatt 10 / Part 10SeiteAnhang C Definition der Strzonen . . .

14、. . . . 22C1 Frontwirbel . . . . . . . . . . . . . . . . . 22C2 Naher Nachlauf . . . . . . . . . . . . . . . 22C3 Ferner Nachlauf. . . . . . . . . . . . . . . 23C4 Mehrere Quader . . . . . . . . . . . . . . 24C5 Durchstrmte Hindernisse . . . . . . . . . 24Anhang D Initialwindfeld. . . . . . . . . .

15、. . . 25Anhang E Sperrschichthhe . . . . . . . . . . . 29Anhang F bertragung auf das Gitter . . . . . . 30F1 Hindernisse . . . . . . . . . . . . . . . . . 30F2 Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Anhang G Lsung der Differenzialgleichungen . 31Anhang H Beseitigung der Restdivergenzen . . .

16、 34Anhang I Beispiele. . . . . . . . . . . . . . . . 35I1 Bonner Strae. . . . . . . . . . . . . . . . 35I2 Venloer Strae . . . . . . . . . . . . . . . 40I3 U-frmiges Einzelhindernis . . . . . . . . 40I4 Kreuzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45I5 Profile der horizontalen Strmungs- komponenten

17、. . . . . . . . . . . . . . . . 47I6 Vertikalkomponenten . . . . . . . . . . . . 49Anhang J Beschreibung der Datenstze . . . . . 50J1 Bonner Strae und Venloer Strae . . . . . 50J2 U-frmiges Gebude . . . . . . . . . . . . 51J3 Kreuzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Schrifttum . . . . . . . .

18、. . . . . . . . . . . . . 52VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn

19、dig, sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Die Richtlinie wurde vom Ausschuss Luftqualitt“ erarbeitet.Allen, die ehrenamtlich an der

20、Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3783.PageAnnex C Definition of the disturbed zones. . . . 22C1 Frontal eddy . . . . . . . . . . . . . . . . 22C2 Cavity zone. . .

21、 . . . . . . . . . . . . . . 22C3 Far wake . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23C4 Several cuboids. . . . . . . . . . . . . . . 24C5 Obstacles with through-flow . . . . . . . . 24Annex D Initial wind field . . . . . . . . . . . . 25Annex E Boundary layer height . . . . . . . . . 29Annex F Transferr

22、al onto the grid . . . . . . . . 30F1 Obstacles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30F2 Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Annex G Solution of the differential equations . 31Annex H Removal of the residual divergences . . 34Annex I Examples . . . . . . . . . . . . . . . . 35I1 Bonner St

23、rae . . . . . . . . . . . . . . . 35I2 Venloer Strae . . . . . . . . . . . . . . . 40I3 U-shaped individual obstacle. . . . . . . . 40I4 Intersection . . . . . . . . . . . . . . . . . 45I5 Profiles of the horizontal flow components. . . . . . . . . . . . . . . . . 47I6 Vertical components . . . . .

24、. . . . . . . 49Annex J Description of the data records. . . . . 50J1 Bonner Strae and Venloer Strae . . . . . 50J2 U-shaped buildings. . . . . . . . . . . . . 51J3 Intersection . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Preliminary noteThe content of

25、this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and recom-mendations of the guideline VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text

26、or of extracts.The use of this guideline without infringement of copy-right is permitted subject to the licensing conditions specified in the VDI notices (www.vdi-richtlinien.de). This guideline has been worked out by the committee “Luftqualitt” (air quality).We wish to express our gratitude to all

27、honorary con-tributors to this guideline.A catalogue of all available parts of this guide-line series can be accessed on the internet at www.vdi.de/3783.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 VDI 3783 B

28、latt 10 / Part 10 3 1 AnwendungsbereichDiese Richtlinie beschreibt ein Rechenmodell, mit dem ein zeitlich gemitteltes, dreidimensionales Str-mungsfeld ber einer ebenen Flche im Bereich von Hindernissen (z. B. Gebude) berechnet werden kann. Die typischen Abmessungen des Gebiets liegen zwischen wenige

29、n Dekametern bis zu einigen Kilo-metern.Typische Anwendungen der Richtlinie:Bereitstellung eines dreidimensionalen Str-mungsfelds fr die anschlieende Ausbreitungs-rechnungMessnetzplanung im innerstdtischen Bereich fr StrmungsmessungenUntersuchungen mglicher nderungen des mitt-leren Windfelds durch B

30、aumanahmen Durch Baumanahmen kann die Durchlftung in einem ganzen Stadtgebiet oder in einer Stadt ein-geschrnkt werden, oder es knnen Bereiche ex-trem hoher Strmungsgeschwindigkeit auftreten. Bei der Planung mssen diese Probleme berck-sichtigt werden.Bestimmung des Windfelds fr Energiebedarfs-rechnu

31、ngen Moderne Energiebedarfsrechnungen von Gebu-den sollten das Windfeld und die Vernderungen des Windfelds durch Baumanahmen bercksich-tigen.Windfeldberechnungen als Grundlage human-bio-meteorologischer Untersuchungen (siehe auch VDI 3787 Blatt 2) Das thermische Empfinden von Menschen hngt ber ihre

32、Energiebilanz u. a. von der Strmungs-geschwindigkeit ab. Steigt sie an, wird das thermi-sche Empfinden positiv (Abbau von Wrmebelas-tung im Sommer) oder negativ (Zunahme von Kltereiz im Winter) beeinflusst.Eingangsgren fr das Modell sind das ungestrte Vertikalprofil der Windgeschwindigkeit, das Hind

33、er-nis- bzw. Gebudekataster und die Landnutzung. Ge-nerell kann davon ausgegangen werden, dass inner-halb der Bebauung die Strmung durch dynamische Einflsse bestimmt wird und die Stabilitt von unter-geordneter Bedeutung ist.Diagnostische Modelle sind speicherplatz- und re-chenzeitkonomisch, sodass g

34、roe Felder mit hoher rumlicher Auflsung (soweit dies sinnvoll ist) auch auf einem PC gerechnet werden knnen.Die Anwendung der Richtlinie erfordert Sachkennt-nis.Als Beispiel fr ein diagnostisches mikroskaliges Windfeldmodell kann ein Computerprogramm zu die-1ScopeThis guideline describes a computati

35、onal model which can be used to calculate a time-average, three-dimensional flow field over a flat surface in the re-gion of obstacles (for example buildings). The typical dimensions of the zone lie between a few decameters and a few kilometers. Typical applications of the guideline:provision of a t

36、hree-dimensional flow field for the subsequent propagation calculation measurement network planning in the inner city zone for flow measurementsinvestigations into possible changes in the mean wind field caused by building measures Building measures can limit the ventilation in an entire urban distr

37、ict or in a town, or zones can arise in which the flow velocity is extremely high. These problems must be taken into account during planning. determination of the wind field for the purpose of calculating energy requirements Modern calculations of energy requirements for buildings should take accoun

38、t of the wind field and the variations in the wind field caused by building measures.wind field calculations as a basis for human biometeorological investigations (see also VDI 3787 Part 2) The thermal sensitivity of humans depends via their energy balance on, e. g., the flow velocity. If the latter

39、 rises, the thermal sensitivity is influ-enced positively (decrease in thermal stress in summer) or, negatively (increase in low-tempera-ture stimulus in winter).Input variables for the model are the undisturbed ver-tical profile of the wind speed, the register of obsta-cles and/or buildings and lan

40、d use. It can be assumed in general that the flow is determined by dynamic in-fluences within the built-up area, and that stability is of subordinate importance. Diagnostic models are economical in terms of storage space and computer time, and so large fields with a high spatial resolution (to the e

41、xtent this is sensible) can be calculated on a PC.The application of the guideline requires expert knowledge.A computer program relating to this guideline and in-cluding the associated user manual can be obtained as B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorb

42、ehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 4 VDI 3783 Blatt 10 / Part 10ser Richtlinie inklusive dem zugehrigen Benutzer-handbuch ber die folgende Adresse bezogen werden: http:/www.vdi.de/dmw. Das Computerprogramm ist eine mgliche programmtechnische Umsetzung der im Anhang beschriebene

43、n beispielhaften Realisie-rung eines diagnostischen Strmungsmodells.Das hier beschriebene Initialisierungsverfahren ist nicht invariant gegen Drehung der Baukrper im Re-chengitter und gegen mgliche unterschiedliche Di-gitalisierung der Hindernisse.Eine weitere Realisierung, die diese Einschrnkun-gen

44、 nicht aufweist, ist in 16 beschrieben.2BegriffeFr die Anwendung dieser Richtlinie gelten die fol-genden Begriffe:AnstrmprofilVertikalprofil der Strmungsgeschwindigkeit und -richtung in einem von Hinderniseinflssen freien Gelnde.AnstrmrichtungStrmungsrichtung, gemessen in Grad gegen den Uhrzeigersin

45、n bezogen auf die Ostrichtung (z. B. 90 = Strmung nach Norden).Diagnostisches ModellNumerisches Modell, das im Unterschied zu einem prognostischen Modell nur auf dem physikali-schen Grundsatz der Massenerhaltung basiert. Die berechneten Strmungsfelder sind stationr.DivergenzfreiheitFr ein beliebiges

46、 Kontrollvolumen ist bei einem in-kompressiblen Medium der Massenfluss in das Volu-men gleich dem Massenfluss aus dem Volumen her-aus.Dynamisch(er Einfluss)Unter dem dynamischen Einfluss wird die Wirkung all derjenigen Krfte (Trgheits-, Volumen-, Oberfl-chenkrfte) auf eine Strmung zusammengefasst, d

47、ie nicht thermodynamisch bedingt sind.Eingenordet(es Simulationsgebiet)Ein Simulationsgebiet ist eingenordet, wenn die x-Achse des verwendeten Koordinatensystems nach Osten, die y-Achse nach Norden weist.Ferner NachlaufBereich hinter einem Hindernis, in dem sich die Str-mung wieder einem von Hindern

48、issen ungestrten Zustand annhert.an example for a diagnostic microscale wind field model from the following address: http:/www.vdi.de/dmw. The computer program is one pos-sible programming approach to converting the exem-plary implementation, described in the annex, of a di-agnostic flow model.The i

49、nitialisation method described here is not invar-iant against rotation on the buildings in the computa-tional grid and against a potentially different kind of digitalisation of the obstacles.Another implementation without these limitations is described in 16.2 Terms and definitionsFor the purposes of this guideline, the following terms and definitions apply:Profile of approach flowVertical profile of t