Numerical modeling of realistic atmospheric boundary layer conditions for a low-speed wind tunnel

Abstract

Atmospheric conditions occurring up to 1 km above the surface of the Earth are largely dominated by what is known as the atmospheric turbulent boundary layer. Hence, understanding the atmospheric turbulent boundary layer is of great interest for many fields of study and industries. For instance, the interaction between wind turbines. Aircraft taking off and landing, weather conditions, and dispersion of pollutants over cities, among many others, are phenomena that occur within the atmospheric boundary layer. This investigation intends to numerically simulate the atmospheric turbulent boundary layer to accurately recreate these inflow conditions inside of a low-speed wind tunnel. To simulate a realistic environment, certain atmospheric conditions had to be generated, including the atmospheric boundary layer profile. To achieve this, triangular vortex generators, called spires, were added to condition the incoming flow. The design of these spires was based on a design methodology which uses the dimensions of the wind tunnel, the desired Hellman exponent and desired boundary layer height to generate the dimensions of the spire. Computational Fluid Dynamics simulations, with the aid of the commercial software Star CCM+, were performed to characterize the flow behavior generated by the spires. For the purpose of this investigation, the ASCE (American Society of Civil Engineers) 7-16 classification for terrain types was used as the standard to compare the empirical data with acquired numerical results. According to the numerical results the Irwin design methodology overestimates the desired Hellman exponent to an average value of 17%, and it is recommended to start with the spire design process with a lower Hellman exponent than the intended design. The turbulence intensity profile did not match exactly past data of ASCE 7-16 which could be due to the lack of surface roughness on the bottom floor where the spires are present. More flow blockage devices could be added to induce roughness such as blocks or walls to induce a higher degree of turbulence to match the theoretical turbulence profile.

Las condiciones atmosféricas que ocurren desde la superficie de la tierra hasta 1 kilómetro de altura son dominadas por lo que se conoce como la capa limite atmosférica turbulenta. Por lo tanto, entender la capa limite atmosférica turbulenta es de gran interés de diversos campos de estudio y de diferentes industrias. Por ejemplo, la interacción de entre turbinas de vientos, en el despegue y aterrizaje de aviones, condiciones del tiempo y la dispersión de contaminantes sobre las ciudades y entre otros son fenómenos que ocurren dentro de la capa limite atmosférica. La intención de esta investigación es de simular numéricamente la capa limite atmosférica para recrear estas condiciones de entrada en un túnel de viento de baja velocidad. Para simular un ambiente con condiciones reales, ciertos requisitos se tienen que recrear, incluyendo el gradiente de velocidad de la capa limite. Para cumplir con el objetivo del proyecto, generadores de vorticidad, llamado “spires” fueron añadidos para condicionar el flujo de entrada. El diseño de estos “spires” fueron basados de una metodología de diseño lo cual usa las dimensiones del túnel de viento, el exponente de Hellman deseado, el grosor deseado de la capa límite para generar las dimensiones del generador de vorticidad. Las simulaciones para ver la interacción del flujo de entrada con los “spires” fueron creadas usando CFD (Dinamica de Fluidos Computacional) con el uso del programa comercial de “Star CCM+”. Para los propósitos de este trabajo investigativo, se usó como estándar el ASCE (Sociedad Americana de Ingenieros Civiles) 7-16 para clasificar los tipos de terrenos. La data empírica presente en este documento se va a usar como punto de comparación para la data numérica de las simulaciones. De acuerdo con los resultados la metodología de diseño de Irwin sobre estima el exponente de Hellman deseado por un valor promedio de 17% y es recomendado comenzar con el proceso de diseño con un exponente más bajo de lo deseado en la metodología. El perfil de intensidad de turbulencia no compagino con la data numérica que puede ser por la causa de ausencia de rugosidad en la superficie en la pared inferior del túnel. Para contrarrestar este comportamiento se recomienda añadir más obstrucciones para inducir rugosidad como paredes de baja altura en comparación con los “spires” o bloques para inducir un alto grado de turbulencia para poder compaginar con los valores empíricos.