屋外風環境解析のための精度検証例(2)

 屋外風環境(俗にビル風と呼ばれることもあります)の検討には、風洞実験のほか数値流体解析(CFD)も良く用いられます。CFDはコンピュータの進歩とともに、風環境の評価にも積極的に利用されていますが、結果の信頼性を確保するため、2001年より日本建築学会で計算プロセスの標準化が進められ、2007年に「市街地風環境予測のための流体数値解析ガイドブック」としてまとめられました。なお、このガイドブックは最新の解析技術などを含め再編集され、2020年に「都市の風環境予測のためのCFDガイドブック」としてまとめられています。
 今回は、このガイドブックおよび関連Webに掲載されている「CFD解析の精度検証のための実験データベース」を用い、風洞実験との比較検証を行った事例を紹介します。

 都市の風環境予測のためのCFDガイドブック(データのダウンロードはこちらから)

テストモデル

 前回は建物群を想定した単純形状の街区でしたが、今回検証したモデル(図1)は、実在街区に高層の建物が建設される想定のもの(ガイドブックのベンチマークケースE)になります。
 このモデルは、新潟市にある平坦な街区で、主に二階建ての低層住宅地に高さ60mの建物1棟、高さ18mの建物2棟が建設された状態を想定しています。建物範囲は実スケールで直径400mの範囲になります。
 また、今回は最終的に風速の発生確率による風環境評価尺度を算出し、風洞実験結果と比較します。

図1 テストモデル

 風洞実験での模型は実スケールの1/250となっており、CFDの解析もこの風洞実験に合わせたスケールおよび境界条件で検証します。

計算条件

 計算メッシュは街区の複雑な街区を再現できるように、建物近傍を細かく設定し、街区の外側や上空は大きめのメッシュを配置しました。総メッシュ数は約280要素です。(図2)

図2 計算メッシュ(拡大)

 また、風向は風洞実験と同様、建物モデルを円柱領域で囲み、その円柱領域を回転させることで風向の変化を再現しています。

 計算領域の一番外側、風洞の天井や壁になる部分は、地表面に相当する部分を除き、滑りなし壁とし、建物表面および地表面は一般化対数則としています。
 流入風速の高さ方向のプロファイルおよび、流入風の乱流エネルギー(k)は実験値を、乱流散逸率(ε)は乱流エネルギー値をもとに、ガイドラインで示される式により与えました。

 その他、計算パラメータは前回と同様、計算ソルバーにカスタマイズ版のOpenFOAM、乱流モデルは標準k-εモデル。移流項精度はQUICKを使っています。

計算結果

 今回は最終的に風環境評価を行うため、16風向の計算をしています。ここでは出現頻度が多い西風の結果を示します。
 図3は実スケールで地上2mの風速分布です。風は画面左から右へ流れて、ちょうど画面の上が北の方角になります。特に仮想の高層建物南側と東側の少し離れた位置で風が強くなっていることが分かります。

図3 西風時の風速分布(実スケール地上2m)

 前回と同様、CFD解析と風洞実験の相関を検証すると、図4のように実在街区の形状でも同等の結果が得られていることが分かります。ここでは割愛しますが、他の風向についても同様の傾向となっています。

図4 西風時のCFD解析と風洞実験結果の相関図(風速比で評価)
風環境評価での風洞実験との相関

 風速の発生確率による評価では、主に、日最大瞬間風速に基づく風環境評価尺度(村上らの評価尺度)と、平均風速に基づく風環境評価指標(風工学研究所の方法)がありますが、今回はガイドブックの評価に合わせ、日最大瞬間風速に基づく風環境評価尺度を算出します。なお、この評価尺度は本来地上1.5mで評価されるものですが、風洞実験結果が実スケールの地上2mでの評価でしたので、CFD解析結果もその高さに合わせています。
 なお、具体的な評価方法については、ここでは説明を省かせていただきます。CFD解析結果から風環境評価尺度の算出は、可視化ソフトであるParaViewのスクリプトを開発し、ランクの計算と結果の表示をできるようにしています。

 図5はCFD解析結果から算出した風環境ランクの分布になります。なお平均風速で評価するためのG.F.(ガストファクター)は2.5としました。図6は風洞実験結果のランクを色分けで表示したものです。

 別々の図ですと位置関係が少し分かりにくいので、重ねて表示したものが図7になります。

図7 風環境ランクのCFD解析と風洞実験結果との比較

 少しの位置のずれでランクが変わってしまう場所もありますが、仮想で作った高層建物周りのランクが高い(強風の頻度が多い)状況や、同じく仮想で配置した2棟の建物周りでも少しランクが高くなっている様子、さらには、それらから少し離れた細い道路に沿ってランクが高くなることなど、CFD解析でも風洞実験と同等レベルの評価できることが分かります。

まとめ

 今回は屋外風環境解析の精度検証事例として、実在の街区をモデルに、CFD解析と風洞実験を比較し精度検証を行いました。複雑な形状となる実在街区においても風洞実験結果とそん色ない結果となっているとともに、16風向で評価する風環境評価尺度においても、CFD解析が風洞実験と同等の結果が得られることを確認しました。

おことわり
 今回の検討はある一定の条件下でのシミュレーション結果になります。異なる条件では違った結果や傾向になる場合があります。また、このシミュレーション結果は実現象の再現を保証するものではありません