Numerical and experimental investigation of urban microclimate in a real compact heterogeneous urban area

Abstract

Το φαινόμενο της αστικής θερμονησίδας απασχολεί όλο και πιο έντονα την επιστημονική κοινότητα, λόγω της επιδείνωσης του από την κλιματική αλλαγή και την υπερθέρμανση του πλανήτη. Επιπλέον, στα πλαίσια της κλιματικής αλλαγής, η ατμοσφαιρική ρύπανση προβλέπεται να γίνει ο κύριος λόγος για πρόωρη θνησιμότητα μέχρι το 2050. Η παρούσα διατριβή αποτελείτε από τέσσερα βασικά κεφάλαια. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η διερεύνηση του φαινομένου της αστικής θερμονησίδας και του αστικού μικροκλίματος, μέσω της συλλογής και ανάλυσης πειραματικών δεδομένων πολλαπλής κλίμακας. Μέσω μιας εξτρατείας μετρήσεων πεδίου, πραγματοποιήθηκε η συλλογή δεδομένων θεροκρασίας του αέρα, σχετικής υγρασίας, επιφανειακής θερμοκρασίας, και ταχύτητας και διεύθυνσης αέρα σε διαφορετικές χωρικές και χρονικές κλίμακες, με επίκεντρο την παλιά πόλη της Λευκωσίας. Με βάση την ανάλυση των μετρήσεων, καταγράφηκε μια σειρά από καταβάτες ανέμους στους ορεινούς σταθμούς, που σημειώθηκαν κυρίως κατά τις νυχτερινές ώρες. Οι άνεμοι φάνηκαν να λειτουργούν ως σύστημα αποστράγγισης και ψύξης και ενδέχεται να συντελούν στην μείωση της ένταση του φαινομένου της αστικής θερμονησίδας. Η διερεύνηση του αερισμού στο αστικό περιβάλλον μέσω ανάλυσης με τη χρήση υπολογιστικής ρευστομηχανικής (CFD) παρουσιάζεται στο κεφάλαιο 3. Για την ανάλυση έγινε η χρήση των εξισώσεων Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) και Large Eddy Simulation (LES). Η επικύρωση του υπολογιστικού μοντέλλου πραγματοποιήθηκε με την σύγκριση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων με πειραματικές μετρήσεις μέσω ανεμοσύραγγας, για ταχύτητα ανέμου και έντασης τύρβης. Η μελέτη συμπεριλαμβάνει τη συστηματική αξιολόγηση των μεθόδων RANS και LES για την αξιολόγηση των συνθηκών αερισμού σε μια πυκνή συνοικία στο κέντρο της παλιάς πόλης της Λευκωσίας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η μέθοδος LES μπορεί να προβλέψει με ακρίβεια τη μέση ταχύτητα ανέμου και την ένταση τύρβης σε μια σύνθετη αστική περιοχή και προτείνεται για τον υπολογισμό δεικτών αερισμού όπως του “age of air” και “air delay”. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η ανάλυση του αστικού μικροκλίματος μέσω CFD. Η επικύρωση των αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκε μέσω της σύγκρισης με μετρήσεις πεδίου θερμοκρασίας του αέρα, θερμοκρασίας επιφανειών και ταχύτητας ανέμου. Οι προσομοιώσεις έχουν πραγματοποιηθεί μέσω των εξισώσεων 3D Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) και η περίοδος προσομοίωσης κάλυψε τέσσερις διαδοχικές ημέρες τον Ιούλιο του 2010. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η μέθοδος 3D URANS μπορεί να προβλέψει με ακρίβεια τις θερμοκρασίες του αέρα, τις επιφανειακές θερμοκρασίες και την ταχύτητα του ανέμου σε μια πολύπλοκη αστική περιοχή. Η μέση απόλυτη απόκλιση μεταξύ των μετρήσεων πεδίου είναι 1,35 °C για τη θερμοκρασία του αέρα, 0,57 m/s για την ταχύτητα του ανέμου και 2,31 °C για τις επιφανειακές θερμοκρασίες. Η διερεύνηση της επίδρασης της κλιματικής αλλαγής στο αστικό μικροκλίμα και τη θερμική άνεση των πεζών παρουσιάζεται στο κεφάλαιο 5. Η μελέτη αφορά μια πυκνή συνοικία της Λευκωσίας και βασίζεται σε δύο σενάρια: (i) σενάριο με βάση μετεωρολογικές συνθήκες του 2010 και (ii) ένα μελλοντικό σενάριο για το οποίο οι μετεωρολογικές συνθήκες βασίζονται σε προβλέψεις για το 2050.Τα αποτελέσματα της ανάλυσης CFD δείχνουν ότι για το 2050, η μέγιστη θερμοκρασία του αέρα στο ύψος των πεζών μπορεί να αυξηθεί κατά 2,3 °C, που ενδέχεται να αυξήσει τον αριθμό της θνησιμότητας που σχετίζεται με τη θερμότητα κατά περισσότερο από 240%. Επιπλέον, η περίοδος που θα επικρατήσουν συνθήκες «πολύ ισχυρού θερμικού φόρτου» αναμένεται να διπλασιαστεί, οδηγώντας σε αύξηση της θνησιμότητας που σχετίζονται με τη θερμότητα.

The UHI effect is gaining attention due to its exacerbation by climate change and global warming. In addition, under the context of climate change, projections show that outdoor air pollution will become the main reason for premature mortality worldwide by 2050. This thesis presents a numerical and experimental investigation of urban microclimate in a real heterogeneous urban area. The thesis consists of four main chapters. Chapter 2 presents the investigation of the UHI and urban microclimate using a multi-scale experimental approach through the collection and analysis of climatic data. Through the field measurement campaign, data of air temperature, relative humidity, surface temperatures, wind speed and wind direction were collected at various spatial and temporal scales. The focus is on the old city center of Nicosia. Based on the analysis of the measurements, a series of downslope winds were captured at the mountainous stations, occurring at late evening – night hours, which seemed to act as a drainage and cooling system and possibly reduced the intensity of the UHI. The investigation of urban ventilation using CFD analysis is presented in chapter 3 of the thesis. The CFD analysis is performed using the 3D steady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) and Large Eddy Simulation (LES) approaches. The CFD model validation is performed by comparing with reduced scale wind-tunnel measurements of mean wind speed and turbulence intensity. A systematic evaluation of steady RANS and LES for the assessment of the ventilation conditions in a dense district in Nicosia, Cyprus, is presented. The results showed that LES can accurately predict the mean wind speed and turbulence intensity in a complex urban area and is suggested for calculating the local mean age of air and the air delay. The CFD analysis of urban microclimate is presented in chapter 4. Special focus is given to the validation of the CFD results with high-resolution field measurement data of air temperature, surface temperature, and wind speed. The CFD simulations are performed based on the 3D Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) equations and the simulated period covered four consecutive days in July 2010. The results show that 3D URANS can accurately predict air temperatures, surface temperatures, and wind speed in a real complex urban area. The average absolute deviation between full-scale on-site measurements is 1.35 °C for air temperature, 0.57 m/s for wind speed, and 2.31 °C for surface temperatures. The investigation of the impact of climate change on urban microclimate and pedestrian thermal comfort is presented in chapter 5. The focus is on a dense district of Nicosia, Cyprus. Two scenarios are considered: (i) a current scenario based on meteorological conditions of 2010, and (ii) a future scenario for which meteorological conditions are based on numerical climate prediction data for 2050. The results of the CFD analysis show that for 2050, the maximum air temperature at pedestrian height can increase by 2.3 °C, which can increase the number of heat-related mortality by more than 240%. In addition, the period that “very strong heat stress” conditions will prevail is expected to double, leading to higher heat-related mortality levels.