適合細分化格子ボルツマン法による都市風況解析のための地表面熱流束モデルの開発

Development of a surface heat flux model for urban wind simulation using locally mesh-refined lattice Boltzmann method

小野寺 直幸   ; 井戸村 泰宏   ; 長谷川 雄太   ; 中山 浩成   

Onodera, Naoyuki; Idomura, Yasuhiro; Hasegawa, Yuta; Nakayama, Hiromasa

高解像度の風況解析は、スマートシティ設計に活用できるなど非常に重要である。都市部は高層ビルが密集した複雑な形状をしており、それらにより風の流れが乱流状態となるため、都市街区全域から細かな路地までを捉えた大規模計算が必要である。本研究グループでは、GPUおよび適合細分化格子(AMR)法を用いた格子ボルツマン法(LBM)に基づく解析手法CityLBMを開発している。現実の風況を再現するためにメソスケール気象予測モデルの風況および地表面温度が境界条件として必要となる。本研究では、それらの境界条件の高度化として、Monin-Obukhov相似則に基づく熱流束を求める物理モデルを導入した。物理モデルの検証として、米国オクラホマシティの野外観測実験に対して解析を実施し、観測値を良く再現できていることを確認した。

A detailed wind simulation is very important for designing smart cities. Since a lot of tall buildings and complex structures make the air flow turbulent in urban cities, large-scale CFD simulations are needed. We develop a GPU-based CFD code based on a Lattice Boltzmann Method (LBM) with a block-based Adaptive Mesh Refinement (AMR) method. In order to reproduce real wind conditions, the wind condition and ground temperature of the mesoscale weather forecasting model are given as boundary conditions. In this research, a surface heat flux model based on the Monin-Obukhov similarity theory was introduced to improve the calculation accuracy. We conducted a detailed wind simulation in Oklahoma City. By executing this computation, wind conditions in the urban area were reproduced with good accuracy.