Experimental and Numerical Investigation of the Effect of Distance Between Buildings and Building Height At Roofed Building Models

Abstract

Aerodynamics is an important factor in the interaction of harmful gases and particles in the atmosphere with vegetation and buildings by affecting the flow structure around buildings. Separation zones and vortex groups around the building are of great importance in determining the wind interactions affecting the buildings and considering the appropriate design parameters. In this study, flow structures around buildings with roof and placed diagonal, 6,25 cm distances between buildings with dimensions of 5cmx5cmx5cm and 5cmx5cmx10cm and 10 cm distances between buildings with dimensions of 5cmx5cmx10cm were investigated as experimental by using Particle Image Velocimetry (PIV) technique. Besides, flow analysis vicinity buildings with roof and dimensions of 5cmx5cmx5cm and 5cmx5cmx10cm as numerical with ANSYS Fluent program having steady, 3D, k-ε turbulence model was carried out separately and the obtained results were matched with those of experimentals. In the work, distributions of streamline <ψ> and velocity vectors were drawn and average equivalent velocity curves were researched for different distances between buildings and building heights. It was observed an increment in distances of the upstream and downstream regions at the front zone of the building, placed diagonally at a distance of 10 cm compared to the distance between the buildings of 6,25 cm. Besides, it was found that there is at most a 3% differences between experimental and numerical results.

Keywords

• Building aerodynamic
• Particle image velocimetry (PIV)
• Vortex

Çatılı Bina Modellerinde Binalar Arası Mesafenin ve Bina Yüksekliğinin Akış Yapısı Üzerindeki Etkisinin Deneysel ve Sayısal Olarak İncelenmesi

Öz

Aerodinamik, atmosfere salınan zararlı aerosollerin, gazların ve partiküllerin binaların etrafındaki akış yapısını etkileyerek arazi, bitki örtüsü ve binalar ile etkileşiminde önemli bir faktördür. Binaları etkileyen rüzgar etkileşimlerinin belirlenmesinde ve uygun tasarım parametrelerinin göz önüne alınmasında bina ile çevresi arasındaki rüzgar etkileşiminin oluşturduğu ayrılma bölgeleri ve çeşitli girdap grupları büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, çatılı-çapraz olarak yerleştirilmiş binalar arası mesafenin 6,25 cm olduğu 5cmx5cmx5cm ve 5cmx5cmx10cm boyutlarında ve 10 cm binalar arası mesafe bulunan 5cmx5cmx10cm boyutlarındaki binalar etrafındaki akış yapıları deneysel olarak Parçacık Görüntülemeli Hız Ölçüm (PIV) tekniği kullanılarak araştırılmıştır. Ayrıca, ayrı ayrı çatılı 5cmx5cmx5cm ve 5cmx5cmx10cm boyutlarındaki binaların etrafındaki akış analizi daimi, üç boyutlu, k-ε türbülans modelli ANSYS Fluent programıyla sayısal olarak yapılmış ve ulaşılan sonuçlar deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Çalışmada, akım çizgisi <ψ> ve hız vektörleri dağılımları çizilmiş ve ortalama eşdeğer hız eğrileri faklı binalar arası mesafeler ve bina yükseklikleri için incelenmiştir. 6,25 cm’ lik binalar arası mesafeye göre 10 cm’ lik mesafede çapraz olarak yerleştirilen binanın ön bölgesindeki yukarı ve aşağı akış bölgelerinin mesafelerinde bir artış gözlemlenmiştir. Ayrıca, deneysel ve sayısal sonuçlar arasında en fazla % 3’ lük bir farklılık bulunmuştur.

Anahtar Kelimeler

• Bina aerodinamiği
• Parçacık görüntülemeli hız ölçümü (PIV)
• Girdap

Kaynakça

1. Gölbaşı D, Buyruk E, Şahin B, Karabulut K. Değişik bina modelleri için akış alanlarının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi. Tesisat Müh. 2017; 6 (162): 32-47.
2. Tutar M, Oguz G. Large eddy simulation of wind flow around parallel buildings with varying configurations, Fluid Dyn Res. 2002; 31 (5-6): 289-315.
3. Blocken B, Dezsö G, Beeck J, Carmeliet J. The mutual ınfluence of two buildings on their wind driven rain exposure and comments on the obstruction factor. J Wind Eng Ind Aero. 2009; 97 (5-6):180-196.
4. Gölbaşı D, Buyruk E, Karabulut K. Experimental and numerical research of the flow features around the building pairs with different types. Cumhuriyet Sci J. 2018; 39 (4): 1089-1106.
5. Gölbaşı D, Buyruk E, Şahin B, Karabulut K, Kılınç F. Bina yüksekliği değişiminin akış yapıları üzerindeki etkisinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi. 21. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, ULİBTK’17. Çorum: 2017. p. 356-66.
6. Daemei AB, Eghbali SR. Study on aerodynamic shape optimization of tall buildings using architectural modifications ın order to reduce wake region. Wind Str. 2019; 29 (2): 139-147.
7. Wheatley C, Baumann M, Gutierrez SM. Aerodynamic mitigation of origami-ınspired building structures subjected to hurricane wind loads. Behavior and Mechanics of Multifunctional Materials IX, Proc. SPIE 11377. Online: 2020. p. 1137708.
8. Yan B, Li QS. Wind tunnel study of ınterference effects between twin super-tall buildings with aerodynamic modifications. J Wind Eng Ind Aero. 2016; 156: 129-145.

9. Gölbaşı D. Yerleşim alanları içerisinde farklı geometrilere sahip yapılar üzerinde ısı transferi ve akış yapılarının deneysel ve teorik olarak incelenmesi [Doktora Tezi]. Sivas: Sivas Cumhuriyet Üniversitesi; 2015.
10. Gousseau P, Blocken B, Stathopoulos T, Heijst GJF. CFD simulation of near field pollutant dispersion on a high resolution grid: a case study by les and rans for a building group in downtown Montreal. Atm Env. 2011; 45 (2): 428-438.
11. FLUENT. Fluent 6.1 user's guide. 2003; Fluent Inc., Lebanon.