An Approach for Solver Sensitivity Analysis Cfd Simulations for Natural Ventilating in a Middle-Scale Mosque

Year 2025, Volume: 13 Issue: 1, 51 - 64, 29.03.2025

Ayse Seyma Arslantas , İdil Ayçam

Abstract

Building simulations are used at every stage of implementing energy-efficient building design. During the design phase, measures to reduce the building's energy consumption can be taken, and in existing structures, the potential for natural ventilation can be utilized through passive design principles without compromising comfort conditions. In addition, predicting the effectiveness of natural ventilation often leads to highly uncertain results compared to mechanical systems. Unlike the extensive mechanical system analyses found in the literature, there is uncertainty in the accuracy of appropriate CFD solution steps in natural ventilation studies. Different approaches are being tested in CFD solutions to increase the accuracy of simulation-based predictions. Among the approaches to predicting ventilation effectiveness in buildings, computational fluid dynamics (CFD) calculations are common. CFD analyses show varying results depending on solver settings, discretization schemes, turbulence models, mesh sensitivity, and time methods. In this study, different analytical approaches are tested for certain opening configurations to analyze the effect of numerous uncertain variables on comfort parameters. The extent to which the results of the Coupled and SIMPLE solvers affect cross-ventilation and perpendicular ventilation cases is questioned. Differences between parameters such as CO2 concentration as a pollutant gas value, air velocity, and temperature have been taken into account. While the air velocity parameter shows quite similar results for both solvers, the results for CO2 concentration and temperature parameters differ significantly. Whether the flow is in two-dimensional or 3D flow volume affects the solver settings. Since CO2 concentrations depend on the mass increase, they were found to be slightly affected by the solvent difference. Air velocity was found to be the most important factor affecting the flow pattern and the distribution of concentrations and temperature.

Keywords

Building Physics, Computational Methods in Fluid Flow, Models and Simulations of Design

ORTA ÖLÇEKLİ BİR CAMİDE DOĞAL HAVALANDIRMANIN CFD SİMÜLASYONUNUN ÇÖZÜCÜ HASSASİYETİ İÇİN BİR YAKLAŞIM

Abstract

Enerji etkin yapı tasarımının gerçekleştirilebilmesinin her aşamasında yapı simülasyonları kullanılmaktadır. Hem tasarım aşamasında yapının enerji kullanımlarının azaltılması önlemlerinde, hem de mevcut yapıların havalandırma enerji tüketimlerinin azaltılmasında, konfor koşullarından ödün verilmeden yapılacak pasif tasarım prensipleri ile binalarda doğal havalandırma potansiyelinden yararlanılabilecektir. Bunların yanı sıra doğal havalandırmanın etkinliğinin tahmini, mekanik sistemlere göre belirsizliği yüksek sonuçlara sebep olmaktadır. Literatürde geniş yer tutan mekanik system analizlerinden farklı olarak, doğal havalandırma çalışmalarında, uygun CFD (bilgisayarlı akışkanlar dinamiği) çözüm adımlarının doğruluğunda belirsizlik bulunmaktadır. Simülasyona bağlı tahminlerin doğruluğunu arttırmak amacıyla CFD çözümlerinde farklı yaklaşımlar denenmektedir. Yapılarda havalandırma etkinliğini tahmin yaklaşımları arasında CFD hesaplamaları yaygındır. CFD analizleri çözücü ayarları, ayrıştırma şemaları, türbülans modelleri, mesh hassasiyeti ve time methodlarına bağlı olarak farklı sonuçlar göstermektedir.Bu çalışmada, çok sayıdaki belirsiz değişkenle yapılacak analizlerin konfor parametrelerine etkisini analiz etmek amacıyla belli açıklık düzenleri için farklı çözümleme yaklaşımları denenmektedir. Çapraz havalandırma ve birbirine dik açıklıklardan havalandırma (perpendicular) durumları için Coupled ve SIMPLE çözücülerin sonuçları hangi oranda etkilediği sorgulanmaktadır. Kirletici gaz değeri olarak CO2 konsantrasyonu, hava hızı ve sıcaklık parametreleri arasındaki farklılıklar dikkate alınmıştır. CO2 concentration ve sıcaklık parametresinde iki çözücü için oldukça yakın sonuçlar göstermekte iken hava hızı parametresi sonuçlar birbirinden farklılık göstermektedir. Akışın iki boyutlu ve 3 boyutlu akış hacminde olup olmadığı, çözücü ayarlarını etkilemektedir. CO2 konsantrasyonları kütlesel artışa bağlı olduğundan, çözücü farklılığından düşük oranda etkilendiği görülmüştür. Akış desenini etkileyen, konsantrasyonların ve sıcaklığın dağılımını etkileyen en önemli faktörün hava hızı olduğu görülmüştür.

Keywords

Yapı Fiziği, Akışkan Akışı, Tasarım Modelleri ve Simülasyonları.

References

• [1] URL-1. DOE Report. High Efficiency HVAC Systems, URL: https://www.psoklahoma.com/savings/newsletter/story?StoryID=1727 Last Accessed: 01.12.2024
• [2] Asfour,O.S. (2006) Using CFD to Investigate Ventilation Characteristics of Domes as Wind-Inducing Devices in Buildings, The University of Nottingham, PhD Thesis, United Kingdom.
• [3] Daish, N.C., Carrilho da Graça, G., Linden, P.F., Banks, D. (2016) Impact of aperture separation on wind-driven single-sided natural ventilation, Building and Environment, 108, 122-134.
• [4] Chang,X., Chai,J., Liu,Z., Qin, Y., Xu, Z. (2020) Comparison of ventilation methods used during tunnel construction, Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 14:1, 107-121.
• [5] Stavridou, A.D., Prinos,E.P. (2013), Natural ventilation of buildings due to buoyancy assisted by wind: Investigating cross ventilation with computational and laboratory simulation, Building and Environment 66, 104-119.
• [6] Qinzi, L. (2018) Modeling of Opening Characteristics of an Atrium in Natural Ventilation, Master Thesis, Massachusetts Instıtute Of Technology.
• [7] Gong,J., Han,J.(2018) Buoyancy-driven natural ventilation in one storey connected with an atrium, International Journal of Ventilation, 18:4, 281-302.
• [8] Gao, C.F., Lee, W.L.(2011). Evaluating the influence of openings configuration on natural ventilation performance of residential units in Hong Kong, Building and Environment, 46, 961-969.
• [9] Fitzgerald, S.D., Woods, A.W. (2008) The influence of stacks on flow patterns and stratification associated with natural ventilation, Building and Environment, 43, 1719–1733.
• [10] Hunt,G., Linden, P.F.(2005) Displacement and mixing ventilation driven by opposing wind and buoyancy, Fluid Mechanic, 527, pp. 27–55