はじめに
CHAMは、Architectural Studioの設計者であるエリアス・サンチェスから、メキシコ、シナロア州クリアカンの公園内にある複雑な金属屋根デザインの天蓋の下の空間にいる歩行者に対する日射遮蔽の影響をシミュレートするよう依頼されました。そこでは夏の気温が最高気温で35度を超えることもよくあります。クライアントの関心は、気象データに基づく太陽光の日射と影の挙動に着目しています。要件は、コンクリートの基礎と芝生の周囲に建てられた部分的に開口のある金属屋根の天蓋で構成されるオープンプラザの下を通過する歩行者、またはその周囲に座る歩行者が経験する温熱快適性を判断することです。
解析モデル
計算目的は、風、気温、相対湿度などの一般的な環境条件を考慮しながら、周囲の木々や新しい人工の星型ランプによる日陰 (および潜在的な冷却) の効果も含めて、居住者の全体的な快適性を確認することでした。解析モデルは 3DS形式の３次元CADモデルで提供れ、PHOENICS/FLAIR に直接インポートしました。
図 １: PHOENICS-VRに取り込まれたCADモデル
PHOENICSでのモデル化
このケースでは、FLAIR に組み込まれているいくつかの機能を利用して、問題定義のプロセスを大幅に簡素化しました。SUNオブジェクトは、適切な太陽負荷と角度を決定し、日陰の領域を計算します。IMMERSOLと組み合わせて使用すると、すべての表面からの放射熱伝達が決定されます。WINDオブジェクトは、大気境界層、温度、湿度レベルの設定を制御します。また、植生は FOLIAGE オブジェクトを使用してモデル化されており、これらの領域に抗力モデルを与え、正しい日射の低減と冷却源を適用します。これは、自然に木々が周囲の空気から熱の一部を除去するためです。
図 ２: SunオブジェクトとWindオブジェクトによる気象データの設定
PHOENICS/Flair がサードパーティ ソフトウェア製品 (EnergyPlus? など) と連携して特定の場所の気象データを抽出する機能は、今回は使用されず、日射・風のデータは GUI を介して手動で追加されました。
図 ３: 太陽光輻射分布
計算結果
これらすべての変数を組み合わせて、クライアントの「公園内の人々に快適な環境を提供する上で、屋根の設計はどの程度効果的か?」という最初の質問に答えます。これは、FLAIR で利用可能な快適性指数の 1 つを使用して直接判定できます。今回の場合は見かけ温度です。これには、地域の気温と速度、太陽と金属屋根からの放射温度、人が吸収する放射線量が考慮されます。天気予報でよく引用される「体感温度」を求めるには、衣類と湿度レベルを考慮する必要があります。
シミュレーションの結果と測定データを正確に比較するには、通常、CFDモデルを一時的に実行して、経時的な加熱および冷却プロセスをキャプチャします。ただし、今回のキャノピー設計の目的では、このケースを定常状態シミュレーションで実行し、太陽光吸収係数を使用して、合理的な傾向を確認することで、時間平均的なスナップショットとして取得された気象影響を表すことができます。
図 ４: 高さ1.8mでの見かけ温度
図 ５: 地表面温度
最後に
PHOENICS/FLAIR は、Microsoft Azure Marketplace 経由でクラウド上でもアクセスできるようになり、クライアントはソフトウェアのダウンロードやライセンスの購入を必要とせず、高性能の処理能力を使用して都市 CFD モデリングの全機能を利用できるようになります。
http://www.cham.co.uk/_docs/pdfs/phoenics_docs/PHOENICS-OTC2021.pd
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