Model tests of dynamic action on the atmospheric boundary layer – linear configuration of ventilation towers on a rough terrain

Łukasz Flaga,

Aleksander Pistol,

Piotr Krajewski,

Andrzej Flaga

Abstrakt

This paper describes model tests conducted at the Wind Engineering Laboratory of Cracow University of Technology as the first stage of studies on dynamic action on the atmospheric boundary layer in order to reduce the effects of air pollution and smog. It focuses on the cooperation between a series of ventilation towers placed one by one (or row by row) in order to generate a continuous airstream with sufficient velocity to aid the natural ventilation of urban areas. The tests were conducted for three different terrain categories with varying roughness. Also tested were different wind speeds, different spacing between the towers and different configurations of the towers in each row. As a preliminary set of tests, this enabled verification of the feasibility of the solution and its effectiveness on a rough terrain that simulates urban areas.

Keywords: wind engineering, smog reduction, environmental engineering, urban ventilation, terrain roughness

Badania modelowe dynamicznego oddziaływania na warstwę przyziemną atmosfery – konfiguracja liniowa wież wentylacyjnych na chropowatym terenie 

Streszczenie

Niniejszy artykuł opisuje badania modelowe przeprowadzone w Laboratorium Inżynierii Wiatrowej Politechniki Krakowskiej w ramach pierwszego etapu studium dynamicznego oddziaływania na warstwę przyziemną atmosfery w celu redukcji zanieczyszczenia powietrza i smogu. Praca skupia się na współpracy kilku wież wentylacyjnych ustawionych jedna za drugą (lub rząd za rzędem) w celu utworzenia ciągłej strugi powietrza o dostatecznej prędkości, by wspomóc naturalną wentylację obszarów zurbanizowanych. Badania przeprowadzono dla trzech różnych kategorii chropowatości terenu. Ponadto sprawdzono wpływ różnych prędkości strugi, różnych odległości pomiędzy wieżami i różnych wzajemnych konfiguracji wież w każdym rzędzie. Przeprowadzone badania wstępne pozwoliły na weryfikację wykonalności tego rozwiązania oraz jego wydajności na chropowatym terenie odpowiadającym obszarom zurbanizowanym.

Słowa kluczowe: inżynieria wiatrowa, redukcja smogu, inżynieria środowiska, przewietrzanie miast, chropowatość terenu

References

[1] Błażejczyk K., System wymiany i regeneracji powietrza jako czynnik poprawy warunków aerosanitarnych i bioklimatycznych w mieście, Eds: Degórska B., Baścik M., Środowisko przyrodnicze Krakowa: zasoby - ochrona - kształtowanie, IGiGP UJ, UMK, WGiK PW, Kraków 2013, 187–190.

[2] Chu A.K.M., Kwok R.C.W., Yu K.N., Study of pollution dispersion in urban areas using Computational Fluid Dynamics (CFD) and Geographic Information System (GIS), Environmental Modelling & Software, 20, 2005, 273–277.

[3] Wingstedt E.M.M., Osnes A.N, Akerwik E., Eriksson D., Pettersson Reif B.A., Large-eddy simulation of dense gas dispersion over a simplified urban area, Atmospheric Environment 152, 2017, 605–616.

[4] Carpentieri M., Robins EnFlo A.G., Wind tunnel experiments of flow and dispersion in a real urban area, The 7th International Conference on Urban Climate, 29 June – 3 July, Yokohama 2009.

[5] Buccolieri R., Sandberg M., Di Sabatino S., City breathability and its link to pollutant concentration distribution within urban-like geometries, Atmospheric Environment 44, 2010, 1894–1903.

[6] Ramponi R., Blocken B., de Coo L.B., Janssen W. D., CFD simulation of outdoor ventilation of generic urban configurations with different urban densities and equal and unequal street widths, Building and Environment 92, 2015, 152–166.

[7] Oke T.R., Boundary layer climates, Methuen, New York 1978. 

[8] Sorbjan Z., Turbulence and diffusion in the lower atmosphere, PWN, Warszawa 1983.

[9] Hang J., Sandberg M., Li Y., Effect of urban morphology on wind condition in idealized city models, Atmospheric Environment 43, 2009, 869–878.

[10] Jiang Y., Alexander D., Jenkins H., Arthur R., Chen Q., Natural ventilation in buildings, measurement in a wind tunnel and numerical simulation with large–eddy simulation, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 91, 2003, 331–353. 

[11] Omrani S., Garcia–Hansen V., Capra B., Drogemuller R., Natural ventilation in multi– storey buildings, Design process and review of evaluation tools, Building and Environment 116, 2017, 182–194.

[12] Yang L., Qian F., Song D.X., Zheng K.J., Research on Urban Heat–island Effect, Procedia Engineering 169, 2016, 11–18.

[13] Yang L., Li Y., Thermal conditions and ventilation in an ideal city model of Hong Kong, Energy and Buildings 43, 2011, 1139–1148.

[14] Lewińska J., Klimat miasta. Vademecum urbanisty, Instytut Gospodarki Przestrzennej  i Komunalnej, Oddział w Krakowie, 1991.

[15] Cao Z., Wang Y., Duan M., Zhu H., Study of the vortex principle for improving the efficiency of an exhaust ventilation system, Energy and Buildings 142, 2017, 39–48.

[16] US 4164256 A, Cooling tower with forced ventilation and natural draft. 

[17] US 5425413 A, Method to hinder the formation and to break–up overhead atmospheric inversions, enhance ground level air circulation and improve urban air quality.

[18] Spurr G., The penetration of atmospheric inversions by hot plumes, Journal of Meteorology, Vol. 16, 30–37, 1959.

[19] DE 3503138 A1, Process for reducing smog by the chimney inversion/injector effect.

[20] Blackman K., Perret L., Savory E., Piquet T., Field and wind tunnel modelling of an idealized street canyon flow, Atmospheric Environment 106, 2015, 139–153.

[21] Zhai Z.J., Brannon B., Performance comparison of destratification fans for large spaces, Procedia Engineering 146, 2016, 40–46.

[22] CN 203620447 U, Device for preventing pollution of air suspended particles in urban industrial district.

[23] Flaga A., Kryteria podobieństwa modelowego dla równoległego układu wież wentylacyjnych, Research Report, Wind Engineering Laboratory, Cracow University of Technology, Kraków 2017.

[24] Flaga A., Flaga Ł., Krajewski P., Pistol A., Badania wstępne możliwości dynamicznego oddziaływania na warstwę przyziemną. Etap I – Pomiar pola prędkości przepływu i zasięgu strumienia powietrza generowanego przez modele wentylatorów/wież wentylacyjnych w różnych wariantach ich konfiguracji, Research Report, Wind Engineering Laboratory, Cracow University of Technology, Kraków 2017.

[25] PN–EN 1991–1–4. Eurokod 1. Oddziaływania na konstrukcje. Część 1–4, Oddziaływania ogólne – Oddziaływania wiatru [in Polish].

[26] Flaga A., Inżynieria wiatrowa. Podstawy i zastosowania, Arkady, Warszawa 2008.

[27] Flaga A., Flaga Ł., Krajewski P., Pistol A., Badania wstępne możliwości dynamicznego oddziaływania na warstwę przyziemną. Etap III – Badania w tunelu aerodynamicznym wybranych zagadnień z Etapów I i II przy uwzględnieniu wpływu chropowatości podłoża, zabudowy miejskiej), Research Report, Wind Engineering Laboratory, Cracow University of Technology, Kraków 2017.