[https://de.wikipedia.org/wiki/Messe_Bozen]
Aufgabenstellung
Analyse und Strömungssimulationen der zu erwartenden klimatischen Situation im Innenhof der Messe Bozen bzgl. Luftströmungsverhalten und Temperaturverteilung, um die sich ergebenden klimatischen Verhältnisse im Innenhof zu untersuchen und zu evaluieren, inwiefern der Innenhof nach der Umgestaltung (Vorprojekt: Membrandächer über dem Atrium und über dem Messe-Vorplatz) als Aufenthaltsraum genutzt werden kann.
Eingangsgrößen:
- Geometrie Gebäude
- Klima/Wetterdaten
- Thermische Eigenschaften der Materialien
- Nachbarbebauung
- Membrandächer
- Nutzerverhalten
Modelle (3,3 Mio. Zellen; 4,0 Mio. Knoten):
- Strahlungsmodell zur Ermittlung der Oberflächen-Temperaturen
- Ermittlung von Oberflächentemperaturen im Atrium (Randbedingungen für die konvektiven Strömungssimulationen)
- Optimierte geometrische 3D-Modelle (vereinfachtes + erweitertes)
- Modell für konvektive Strömungsanalysen (stationär/ und transient)
Rechenschritte der CFD-Simulationen (für verschiedene Szenarien):
- Vorberechnungen
- Stationäre Simulationen aller klimatischen und Nutzungs-Kombinationen
- Transiente Simulationen
Einige Modelle:
Einige Ergebnisse:
V 2: Vergleich Temperaturkonturen im Atrium mit Membrandach: Achse N-S
Bild 01: Vergleich Temperaturkonturen im Atrium mit Membrandach: Achse N-S: Wind aus S
V. 2: Temperaturverteilung Atrium mit Membrandach: Draufsicht @z=1.5m
V 2: Vergleich Strömung Atrium mit Membrandach: Achse S-N
Bild 01.1 Strömungsgeschwindigkeitsvektoren und -Skalare
Achse: S-N / Wind: S / Sommer
Bild 01.1 Strömungsgeschwindigkeitsvektoren und -Skalare
Achse: S-N / Wind: S / Winter
Pnt. 1: Vergleich Temperaturverteilung im Atrium ohne/mit Membrandach: N-S
Bild 03: Vergleich Temperaturverteilung im Atrium ohne/mit Membrandach: N-S
Bild 03: Vergleich Temperaturverteilung im Atrium ohne/mit Membrandach: N-S
V. 2: Strömungslinien [LiC] Atrium mit Membrandach: Achse S-N
Bild 07.1 Line Integral Convolution (LIC)
Achse: S-N / Wind: S / Sommer
Bild 07.1 Line Integral Convolution (LIC)
Achse: S-N / Wind: S / Winter
V. 2: Strömungslinien Atrium mit Membrandach: Perspektivisch
Bild 07.7 3D-Stromlinien-Diagramm
Achse: S-N / Wind: S / Sommer
Bild 07.7 3D-Stromlinien-Diagramm
Achse: S-N / Wind: S / Winter
V. 2: Vergleich Temperaturverteilung Atrium mit Membrandach: Achse S-N
V 2: Vergleich Temperaturkonturen Atrium mit Membrandach: Achse S-N
Bild 12.1 Temperaturverteilungen
Achse: S-N / Wind: S / Sommer
Bild 12.1 Temperaturverteilungen
Achse: S-N / Wind: S / Winter
Temperatur- und Druckverteilungen
Bild 02.1: Temperatur-Skalare und Verteilung T entlang Linie auf z= 1,5 m Höhe
Achse: S-N / Wind aus S (Temperatur 302 K = 28,85°C)
Bild 01.1: Strömungsgeschwindigkeits-Skalare und Verteilung U entlang Linie auf z= 1,5 m Höhe
Achse: S-N / Wind aus S
Glossar:
LIC-Stromlinie
- LIC-Stromlinien werden ermittelt, indem die Stromlinien eines 3D-Volumens auf die gewählte Schnittoberfläche projiziert werden
Line Integral Convolution (LIC) (Linienintegral-Faltung)
- Methode zur wissenschaftlichen Visualisierung von Vektorfeldern (z.B. Strömungsfeldern).
- Sie stellt ein globales Verfahren zur Verfügung, um alle interessanten Bereiche des Vektorfeldes darzustellen.
- Das Verfahren wurde zunächst für stationäre 2D-Felder entwickelt. Um eine LIC-Darstellung für solch ein Feld zu erhalten, wird ein 2-dimensionales weißes Rauschen entlang der Linien des Strömungsfeldes mit einem Kern mit lokalem Träger gefaltet (im einfachsten Fall: lokal gemittelt). Die Pixelwerte entlang der Feldlinien sind dadurch stark korreliert, orthogonal dazu hingegen – durch das Rauschen – fast unkorreliert. Dadurch heben sich die Feldlinien optisch vom Hintergrund ab und werden sichtbar.
- Die Darstellungsmethode erinnert in der Vorgehensweise und im Ergebnis an die Sichtbarmachung von Magnetfeld-Linien mit Hilfe zufällig verteilter Eisenfeilspäne
Oberflächen-Temperatur
- Die Temperatur eines Körpers, die an dessen Oberfläche herrscht und somit, in Bezug auf dessen Wärme-strahlung, die von außen sicht- bzw. messbare Temperatur ist.
- Sie ist sowohl von Bedeutung, wenn das Innere des Körpers eine andere Temperatur besitzt als die Rand-schichten, als auch wenn man Prozesse der Wärmeübertragung auf der Oberfläche bzw. zwischen Oberflächen und Körperinnerem / Körperumgebung beschreiben will.
- Ein Temperaturgradient innerhalb eines Körpers tritt auf, wenn sich ein Körper mit zunächst homogener Temperatur in einer kälteren oder wärmeren Umgebung befindet, ihm also Wärme zu oder abgeführt wird.
Die Außenschichten passen dabei ihre Temperatur schneller an die Umgebungstemperatur an, als das, je nach Temperaturleitfähigkeit, mehr oder weniger stark thermisch isolierte Innere.
- So hat zum Beispiel ein Körper, der im Wasserbad erwärmt wird, an seiner Oberfläche eine höhere Temperatur als im Inneren, wobei gleiches auch in umgekehrter Form für eine Abkühlung gilt.
SimScale (CFD Software)
- Basis: OpenFoam (open source)
- Verwendete Lösungsmethode der numerischen Strömungsmechanik: Finite-Volumen-Methode (FVM)
Skalar
- mathematische Größe, die allein durch die Angabe eines Zahlenwertes charakterisiert ist (in der Physik gegebenenfalls mit Einheit)
Sonnenstrahlung (solare Strahlung)
- die von der Sonne ausgesandte Strahlung.
- Das elektromagnetische Spektrum der Sonne hat die größte Intensität im Bereich des sichtbaren Lichts (Sonnenlicht).
- Abhängig von der Wellenlänge wird die Sonnenstrahlung von der Atmosphäre mehr oder weniger stark absorbiert.
- Die an der Erdoberfläche eintreffende Intensität hängt zudem stark vom Wetter und vom Sonnenstand ab.
- Meist nicht zur Sonnenstrahlung gerechnet wird die neben der elektromagnetischen Strahlung von der Sonne ebenfalls emittierte massebehaftete Teilchenstrahlung. Sie besteht aus den geladenen Teilchen des Sonnenwinds und den Neutrinos, die bei der Kernfusion im Innern der Sonne entstehen.
- Solarkonstante (auf die Erdatmosphäre auftreffende Sonnenstrahlung): mit hinreichender Genauigkeit konstant: S=1.390 [W/m2]
- Normalstrahlung (auf dem Erdboden auftreffende Sonnenstrahlung)
- Azimut (Aus welcher Himmelsrichtung scheint die Sonne tageszeitabhängig?)
- Sonnenhöhe (Wie hoch steht die Sonne? Breitengradabhängig)
- Besonnung von Bauteilen, stark abhängig von
- der städtebaulichen Situation (Verschattung),
- ihrer Orientierung und Neigung,
- der Fassadenstruktur (Überhänge, etc.)
STL (Schnittstellenformat)
- Abkürzung für STereoLithography oder Standard Tessellation Language; Datentransformation bei Slices;
- Schnittstelle zwischen CAD-Programmen;
- Das STL-Dateiformat (vom MIME-Type) stellt für die CAD-Programme geometrische Informationen bereit