Einfluss des Seitenverhältnisses auf die Luftstromdynamik

Die Untersuchung davon, wie Objekte mit Luftströmen interagieren, ist wichtig, um verschiedene Anwendungen zu verstehen, besonders in städtischen Umgebungen. Ein solches Objekt ist ein quadratischer Zylinder, der im Luftstrom platziert wird und unterschiedliche Muster oder "Wirbel" hinter sich erzeugen kann. Dieses Verständnis ist entscheidend für das Design von Gebäuden, die Planung von Drohnenlieferungen und die Bewältigung von Umweltproblemen in Städten. Hier konzentrieren wir uns darauf, wie das Seitenverhältnis (die Höhe im Vergleich zur Breite) des quadratischen Zylinders den Wirbel und die Turbulenz im umgebenden Luftstrom beeinflusst.

#Die Bedeutung der Wirbeldynamik

Die Analyse der Wirbel bezieht sich auf die Beobachtung der Strömungsmuster, die hinter einem Objekt im Luftstrom entstehen. Die Form und Grösse eines Objekts können diese Muster verändern und beeinflussen, wie die Luft um es herum strömt. In städtischen Gebieten, wo viele Gebäude vorhanden sind, kann das Wissen über diese Muster helfen, vorherzusagen, wie sich Schadstoffe verteilen, bei der Planung von Drohnenrouten für Lieferungen unterstützen und zur Sicherheit in Städten beitragen.

#Turbulente Grenzschicht

Wenn der Luftstrom mit einer Oberfläche interagiert, wie dem Boden oder einem Gebäude, kann er eine Grenzschicht erzeugen. Diese Schicht bezeichnet den Bereich, in dem der Luftstrom durch Reibung gegen die Oberfläche beeinflusst wird. Innerhalb dieser Grenzschicht spielt die Turbulenz, die chaotischen und unregelmässigen Luftstrom, eine bedeutende Rolle. Zu verstehen, wie sich Turbulenzen in der Nähe von Gebäuden und Strukturen verhalten, ist wichtig, um vorherzusagen, wie die Luft in Städten strömt.

#Quadratischer Zylinder und Seitenverhältnis

In unserer Studie schauen wir uns einen quadratischen Zylinder an, der im Luftstrom steht. Das Seitenverhältnis (AR) ist das Mass, das die Höhe des Zylinders durch seine Breite definiert. Zum Beispiel hat ein quadratischer Zylinder ein AR von 1. Wenn die Höhe erhöht wird, während die Breite konstant bleibt, steigt das AR. Verschiedene ARs können zu unterschiedlichen Wirbelmustern führen und beeinflussen, wie sich Turbulenz entwickelt.

#Methodik

Um die Wirbel hinter dem an der Wand montierten quadratischen Zylinder zu analysieren, haben wir eine hochauflösende Computersimulationsmethode namens Large Eddy Simulation (LES) verwendet. Diese Methode ermöglicht es uns, die Strömungseigenschaften im Detail zu beobachten. Wir haben die Luftstromgeschwindigkeit und die Zylinderhöhe auf bestimmte Werte eingestellt, während wir das AR von 1 bis 4 variieren.

#Beschreibung und Konfiguration der Wirbel

Der Wirbel hinter dem Zylinder besteht typischerweise aus mehreren Merkmalen, einschliesslich der Spitzenwirbel (wirbelnde Luft oben am Zylinder), Basiswirbel (wirbelnde Luft an der Basis) und Spannweitewirbel (Strukturen, die von Seite zu Seite reichen). Die Konfiguration des Wirbels ändert sich je nach AR des Zylinders.

• Niedriges Seitenverhältnis (AR 1 und 2): Bei niedrigeren ARs neigt der Wirbel dazu, stabiler zu sein und zeigt eine "Dipol"-Konfiguration, was bedeutet, dass die Luft symmetrisch auf beiden Seiten des Zylinders strömt, mit einer einzigen Rekirculationzone dahinter.
• Hohes Seitenverhältnis (AR 3 und 4): Wenn das AR steigt, wird der Wirbel komplexer und kann eine "antisymmetrische" Konfiguration zeigen, die als Kármán-Wirbelablösung bekannt ist. Das bedeutet, dass der Luftstrom hinter dem Zylinder seine Symmetrie verliert und chaotischere Muster aufweist.

#Die Rolle von Spitzen- und Basiswirbeln

Spitzenwirbel entstehen an der oberen Kante des Zylinders und können zu einem starken Abwärtsstrom im Wirbel führen. Basiswirbel hingegen entstehen an der Basis des Zylinders und können einen Aufwärtsstrom erzeugen. Beide Arten von Wirbeln tragen zur Turbulenz im Wirbel bei:

• Für niedriges AR: Die Spitzenwirbel sind schwach, und die Basiswirbel sind weniger ausgeprägt, was zu einem grösseren und stabileren Wirbel führt.
• Für hohes AR: Die Spitzenwirbel werden stärker, wodurch der Wirbel an Grösse schrumpft und zwei deutliche Rekirculationzonen entstehen.

#Turbulente kinetische Energie

Turbulente kinetische Energie (TKE) ist ein Mass für die Energie, die in turbulenten Strömungen vorhanden ist. In unserer Analyse haben wir beobachtet, wie sich die TKE über verschiedene ARs verändert.

• Bei niedrigeren ARs: TKE tendiert dazu, über dem Zylinder konzentriert zu sein, hauptsächlich aufgrund der Spitzenwirbel.
• Bei höheren ARs: Die TKE-Verteilung ändert sich, mit auffälligen Spitzen, die im Wirbelbereich entstehen und auf stärkere Basiswirbel und komplexe Wechselwirkungen zwischen den turbulenten Strukturen zurückzuführen sind.

#Anisotropie und Turbulenzverteilung

Turbulenz verteilt sich nicht gleichmässig in verschiedene Richtungen. Durch das Studium der Anisotropie der Turbulenz können wir visualisieren, wie sich die Turbulenz über den Wirbel verteilt.

• Dreidimensionale Merkmale: Mit steigendem AR wird die Turbulenzverteilung im Wirbel dreidimensionaler. Das bedeutet, dass die Energie im turbulenten Strom nicht einheitlich ist, sondern je nach Standort relativ zum Zylinder in der Stärke variiert.

#Simulationen und Beobachtungen

Die Simulationen umfassten mehrere Konfigurationen bei unterschiedlichen ARs. Für jede Konfiguration haben wir Daten zu Geschwindigkeitsverteilungen und Turbulenzstärken gesammelt.

• Visualisierungen: Wir haben visuelle Darstellungen des Flusses erstellt, die veranschaulichen, wie sich die Änderungen im AR auf die Wirbelstruktur auswirken. Diese Beobachtungen bestätigten den Wandel von einem symmetrischen Dipolwirbel bei niedrigen ARs zu den chaotischeren und instabileren Strukturen bei höheren ARs.

#Auswirkungen des Seitenverhältnisses auf die Schadstoffverteilung

Das Verständnis des Wirbels hinter einem quadratischen Zylinder ist besonders relevant für Städte mit hohen Schadstoffwerten.

• Verteilung von Schadstoffen: Die Art und Weise, wie Luftstrom und Turbulenz mit Gebäuden interagieren, kann erheblich beeinflussen, wie Schadstoffe sich verbreiten. Zum Beispiel können Konfigurationen, die einen stärkeren Abwärtsstrom erzeugen, Schadstoffe näher am Boden festhalten, was die Luftqualität beeinträchtigt.
• Stadtgestaltung: Erkenntnisse aus diesen Beobachtungen können bessere städtische Planung und Gebäudedesigns informieren, um die Schadstoffbelastung für die Anwohner zu minimieren.

#Fazit

Zusammenfassend spielt das Seitenverhältnis eines an der Wand montierten quadratischen Zylinders eine entscheidende Rolle bei der Formung der Luftströmung und der Turbulenzmuster um ihn herum. Die Beziehung zwischen AR und der Wirbelkonfiguration hilft uns, zu verstehen, wie turbulente Strömungen sich verhalten, was für Anwendungen in städtischen Umgebungen entscheidend ist.

In Zukunft werden weitere Studien unser Wissen darüber erweitern, wie andere geometrische Merkmale und Luftstrombedingungen die Wirbeldynamik beeinflussen. Dieses Verständnis ist entscheidend für die Verbesserung der städtischen Sicherheit, die Optimierung des Schadstoffmanagements und die Optimierung von Drohnenlieferwegen.