Rekenen met wind

door
Tom Haartsen *, Henk Krüs **, Rick Ruijsink **

* Climatic Design Consult, Nijmegen, Nederland
** Cyclone Fluid Dynamics BV, Waalre, Nederland

Inhoud

Samenvatting
Inleiding
Modelleren van de gebouwen
Resultaten
Visualisering van de resultaten
Verspreiding van (rook)gassen
Afsluiting
Referenties

Samenvatting

De vuistregels voor het beoordelen en voorkomen van windhinder zijn in eerste instantie ruim 25 jaar geleden ontwikkeld en vastgelegd in twee SBR-publicaties [1] [2]. Het promotiewerk van Bottema, waarover in Bouwfysica is gerapporteerd [3], heeft daaraan verdere vuistregels toegevoegd. En laatst zijn over de inzet van windtunnels voor stedebouwfysisch onderzoek artikelen verschenen [4] [5] samen met twee artikelen over de nieuwe kennissystemen voor windhinder [6] en voor winddrukken [7].

Tegenwoordig is het ook mogelijk om de invloed van wind te berekenen. Dat heeft soms specifieke voordelen. Die kunnen liggen in de voorbewerking: het modelleren, maar meer nog in de mogelijkheden tot analyseren en visualiseren. Voor sommige aspecten kunnen beperkingen van windtunnelproeven worden omzeild.

Inleiding

"Hoge gebouwen vangen veel wind". "Complexe stedebouwkundige configuraties zijn windtechnisch onoverzichtelijk". "Natuurlijk geventileerde garages zijn goed mogelijk". Uitspraken waaruit blijkt dat we goed naar de wind en haar invloeden moeten kijken. In het vroege ontwerp-stadium kan dit met eenvoudige hulpmiddelen: een publikatie, een deskundige of een kennissysteem als Knowind. Daarna volgt indien nodig, een onderzoek in een windtunnel.

Windberekeningen met een computermodel voor stromingen vormen nu een alternatief voor windtunnelproeven. Cyclone Fluid Dynamics en Climatic Design Consult passen zulke berekeningen in de adviespraktijk toe. Dit artikel beschrijft de voordelen van het rekenen aan wind en illustreert dit met enkele recent uitgevoerde opdrachten.

Modelleren van de gebouwen

Zowel bij het berekenen van wind als bij een windtunnelproef wordt een model van de werkelijkheid gemaakt. Voor een windtunnelproef wordt gebruik gemaakt van schaalmodellen met een schaal veelal tussen 1: 250 en 1:500.

Bij een onderzoek aan luchtstromingen om gebouwen op schaal moet aan een aantal modelregels worden voldaan. Wervels laten rond modellen van ronde gebouwen in een windtunnel, vanwege het lage Reynoldsgetal, op andere plaatsen los dan in werkelijkheid. Daarom zijn de resultaten bij beproevingen met ronde gebouwen en gebouwen met gekromde gevels/daken in windtunnels niet representatief. Een berekening kent, indien de specifieke aspecten van gekromde vlakken goed worden gemodelleerd, dergelijke beperkingen niet; er wordt immers niet geschaald.

Een ander aspect is de "blokkering" in de windtunnel. De vuistregel luidt dat de doorsnede van de te beproeven objecten in een gesloten windtunnel maximaal 5% van de tunneldoorsnede mag uitmaken. Deze vuistregel vormt, tezamen met de invloed van de bebouwing in het directe voorland, een randvoorwaarde voor de beproevingsschaal. Door de in windtunnels toegepaste schaal, zeker als het uitgestrekte terreinen of projecten betreft, kunnen de effecten van details als luifels en de specifieke vorm daarvan niet goed worden bestudeerd. Voor het analyseren van (lokale) verbeteringsmaatregelen als luifelranden, aërodynamisch gekromde vlakken en kleine openingen zijn berekeningen uiterst geschikt.

Bij windberekeningen wordt van de stedebouwkundige omgeving een computermodel gemaakt, te vergelijken met een eindige elementen model. Dit model, de numerieke maquette, in het jargon rekenrooster, vermazing, mesh of grid genoemd? vormt de basis van het tekenwerk. In projecten waarbij gebouwgegevens en stedebouwkundige gegevens in elektronische vorm beschikbaar zijn kan de eerste stap van het modelleren (geometrie van de gebouwen en omgeving) worden vergemakkelijkt door de aanlevering van een DXF-bestand. Dit "werken op de CAD-data" zorgt tevens voor een directe overeenkomst tussen het model en het in (elektronische)tekeningen vastgelegde ontwerp, zodat additionele maatcontroles in principe overbodig zijn. De vervolgstappen, het bepalen en aanmaken van roosterverdelingen, aanbrengen van randvoorwaarden en het toekennen van de eigenschappen van de elementen, vergen stromingstechnische deskundigheid en zijn een vak apart.

Resultaten

Bij windtunnelmetingen met thermistors dienen, na het bouwen van de maquette, vooraf de meetpunten te worden bepaald. De deskundigheid en ervaring van de uitvoerder van windtunnelmetingen zijn vereist om de kritische plaatsen te voorspellen, ook voor varianten. Daarnaast krijgt men in de regel bij de gebruikelijke meettechnieken (thermistors en korrelerosie) alleen gemiddelde snelheden per meetpunt. Additionele informatie vergt extra instrumentatie: woldraadjes voor richting, hittedraad of laserdoppler anemometers voor turbulentie, drukopnemers voor drukken. Indien de resultaten van een windtunnelproef aanleiding vormen tot nadere analyses moeten nieuwe metingen worden uitgevoerd. Bij berekeningen is dat niet het geval.

Bij berekeningen worden per definitie alle stromingsaspecten van het hele stromingsveld bepaald. Daarom kan op elke plaats in het bestudeerde gebied de snelheid, stromingsrichting en turbulentiegraad en op alle gevels de druk op elke willekeurige plaats achteraf worden bepaald. Selectie van de meest kritische plaatsen vindt plaats op grond van de (gevisualiseerde) berekeningsresultaten. Dit soort plaatsen worden daarom niet over het hoofd gezien.

Na instrumentatie kan bij windtunnelmetingen vrij snel voor alle windrichtingen een meting worden uitgevoerd, dit in tegenstelling tot berekeningen waarbij elke windrichting, zelfs met krachtige computers, de nodige rekentijd vergt. Windtunnelmetingen zijn in het voordeel indien bij veel windrichtingen de informatie van een beperkt aantal meetpunten volstaat, berekeningen wanneer gedetailleerde informatie gewenst is bij een beperkter aantal windrichtingen.

Visualisering van de resultaten

Hier ligt een zeer belangrijk voordeel voor berekeningen.

Bij een windtunnelbeproeving kan visualisering plaatsvinden met een zogenaamde korrelerosieproef (windhinder op loopniveau) of met rook of woldraadjes Bij berekeningen is visualisering van drukken, snelheden, turbulentie intensiteit en lengteschaal van turbulentie in elk willekeurig vlak mogelijk. Bovendien is het mogelijk om in elk willekeurig punt luchtdeeltjes los te laten en de loop daarvan te volgen, waarbij bijvoorbeeld de kleur van de gevolgde deeltjes afhankelijk kan worden gemaakt van de snelheid van die deeltjes. De berekening verschaft daardoor inzicht in de samenhang, de structuur en het hoe en waarom van de stroming of windhinder.

Alhoewel turbulentie op de comfortbeleving grote invloed heeft wordt om praktische redenen de mate van turbulentie bij het bepalen van windhinder constant verondersteld [8]. Windhindervoorspellingen zijn immers gebaseerd op de meting van een gemiddelde snelheid en uitgebreide turbulentiemetingen zijn nog steeds zeer arbeids en kostenintensief.

Bij berekeningen kan naast de gemiddelde snelheid de turbulentieintensiteit en de lengteschaal van de wervels worden meegewogen bij de beoordeling van de mate van windhinder. Dat kan bijvoorbeeld bij de inschatting van het risico voor fietsers van belang zijn. Omdat de bestaande turbulentiemodellen in bepaalde omstandigheden nog niet in staat zijn de werkelijke turbulentie goed te voorspellen dient het gebruik van die turbulentiegegevens evenwel met zorg te worden omgeven.

Voorbeeld centrumplan Breda

De figuren 1en 2geven de berekeningsresultaten voor een gebiedje bij de toegang van een nieuwe passage in het centrum van Breda. De berekeningen zijn gebruikt om de drukcoëfficiënt op de toegangen te bepalen (figuur 1), maar geeft direct ook de windsnelheidscoëfficiënten (figuur 2). Omdat de berekening ook informatie over de turbulentiegraad geeft (figuur 3) kan de beoordeling van de windsnelheidscoëfficiënten worden genuanceerd. Ook rekening houdend met de onzekerheidsmarges is het analyse-instrument daarmee krachtiger dan de informatie die een windtunnelproef van een beperkt aantal discrete meetpunten voor de gemiddeld snelheid geeft.

Fig. 1: Eén van de toegangen van nieuw winkelcentrum te Breda; drukcoëfficiënten.

Fig. 2: Nieuw winkelcentrum te Breda; windsnelheidscoëfficiënten op 1,7 m hoogte.

Fig. 3: Nieuw winkelcentrum te Breda, turbulentie intensiteit bij één van de toegangen.

Verspreiding van (rook)gassen

Ook in parkeergarages speelt bij berekeningen het ontbreken van schaaleffecten een belangrijke rol. Waar bij windtunnelbeproevingen gekozen moet worden om indicatief emissies en verdunningen te meten, dan wel eerst drukken op de gevels te meten en vervolgens stromingsberekeningen uit te voeren, kunnen bij windberekeningen zonder schaalproblemen in één keer emissies en verdunningen van verschillende stoffen tegelijk worden meegenomen.

Uitgaande van bekende bronsterkten op emissiepunten kan op elke arbitraire plaats in het model de mate van verdunning worden bepaald. Doordat het bij een berekening mogelijk is de randvoorwaarden vrij te kiezen kan bijvoorbeeld de verspreiding worden nagegaan onder de meest ongunstige omstandigheden. Te denken valt aan de typische inversie condities: geringe turbulentie intensiteit, lage windsnelheid en temperatuurinversie of een afwijkend windprofiel. Ook hierbij is het ontbreken van schaling in de berekeningen een voordeel, immers bij geschaalde modellen is het in het algemeen niet mogelijk tegelijkertijd aan alle stromings en overige modelregels te voldoen.

Voorbeeld natuurlijk geventileerd gebouw te Maastricht

Bouwfonds Vastgoedontwikkeling ontwikkelt voor de Rijksgebouwendienst directie Zuid een verzamelkantoor op het Ceramiqueterrein te Maastricht, zie figuur 4.

Fig. 4: Verzamelkantoor te Maastricht.

In het gebouw zal voor enkele verdiepingen de ventilatielucht met zelfregelende roosters via de gevels worden toegevoerd en via ventilatiekanalen worden afgevoerd. Nagegaan is in hoeverre op de gevels onderdrukken ontstaan ten opzichte van de afvoerpunten, waardoor de aanwezige hulpventilatoren extra moeten draaien.

Daartoe is gebruik gemaakt van windberekeningen van het gebouw in zijn omgeving. Voor enkele windrichtingen zijn in figuur 5 de drukken op de gevels weergegeven. De figuren ondersteunen de hypotheses bij het ontwerp: de mate van onderdruk op de gevels blijkt, afgezien van enkele gebouwhoeken, beperkt te zijn, mede omdat de gevels niet boven het niveau van de omringende bebouwing uitsteken. De wel boven de omgeving uitstekende ventilatieschoorstenen vertonen meestal een grotere onderdruk als gevolg van snelheidszuiging. Daarmee zijn de risico's voor het functioneren van de natuurlijke ventilatie inzichtelijk gemaakt.

Fig. 5: Verzamelkantoor te Maastricht,
drukcoëfficiënten bij verschillende windrichtingen.

Tegelijkertijd is met behulp van dezelfde berekeningen nagegaan in hoeverre in een onder het gebouw gelegen stallingsgarage CO concentraties onder de MAC-waarde bleven en welke momentane bijdrage de garage, voor verschillende windrichtingen, aan benzeenconcentraties in de omgeving geeft. In de figuren 6 en 7 zijn voor een bepaalde situatie de COconcentraties in de parkeergarage gegeven en de benzeenconcentraties langs de gevels.

Fig. 6: CO-concentraties in parkeergarage.
In de "uitstulping" moet extra ventilatie komen.

Fig. 7: Bijdrage vanuit de garage aan de benzeenconcentraties buiten.

Please adress all enquiries about this site to our webmaster.
Last updated: 25 januari 1999
© Copyright 1996-1999, Cyclone Fluid Dynamics B.V.