Forskere modellerer byluftstrømme for at hjælpe med at forbedre designet af droner, skyskrabere, og naturlige ventilationsanlæg

Global befolkning og urbanisering har boomet i løbet af de sidste par årtier. Med dem kom snesevis af nye høje bygninger, droner, mere energieffektive ventilationssystemer, og planlagte lufttaxier af Uber og andre selskaber. Men disse teknologiske fremskridt må kæmpe med et naturligt fysisk fænomen:vind.

Forskere præsenterede de seneste resultater om modellering og forudsigelse af byluftstrøm - i håbet om at bygge bedre bygninger, byer, og transport - ved det 73. årlige møde i American Physical Society's Division of Fluid Dynamics.

Fremtidens byhimmel kan vrimle med autonome fly:lufttaxier, droner, og andre selvflyvende systemer. Et team fra Oklahoma State University har udviklet teknikker til at modellere miljøfarer, som disse køretøjer kan støde på, så de sikkert kan navigere i byer.

"Bymiljøer giver enorme udfordringer for drone- og by-luftmobilitetsplatforme, " sagde forsker Jamey Jacob, der ledede holdet. "Ud over udfordringerne med trafikpropper og forhindringer, der findes kritiske teknologiske huller i modellering, opdage, og at imødekomme de dynamiske lokale vindfelter i byerne såvel som i præcisionsnavigation gennem usikre vejrforhold."

Forskere knyttet sensorer til robotfly for at tage mere sammenhængende målinger af bygningsvåger, eller den forstyrrede luftstrøm omkring bygninger. De kombinerede disse data med numeriske forudsigelser for at få et bedre billede af de komplekse vindmønstre, der findes i bymiljøer.

Arbejdet kan hjælpe med at forbedre vind- og vejrudsigten, ikke kun for ubemandede fly, men også for konventionelle fly.

"Potentialet ved at udstyre enhver drone og lufttaxi i byområder, samt andre fly, med sensorer giver en mulighed for at ændre spil i vores evne til at overvåge, forudsige, og rapportere farlige vejrhændelser, sagde Jakob.

En anden gruppe, baseret på University of Surrey undersøgte også bygningsvåger. Med et øje på at forbedre luftkvaliteten i byer, de ledte efter kønsforskelle mellem en enkelt høj bygning og en klynge høje bygninger.

"At forstå, hvordan man modellerer kølvandet på høje bygninger, er det første skridt til at gøre det muligt for byplanlæggere at reducere varmeø-effekten samt forbedre byluftkvaliteten, " sagde Joshua Anthony Minien, en forsker i maskinteknik.

Holdet udførte eksperimenter i en vindtunnel, at variere grupperingen, billedformat, og afstand mellem høje bygninger. De blev opmuntret til at se, at når de blev målt langt nok nedstrøms, en klynge af bygninger og en isoleret bygning har lignende kølvandsegenskaber. Ændringer i vindretningen ser også ud til at påvirke kølvandet på klynger af bygninger markant.

Alle bygninger, høj eller ej, skal ventileres.

"Evnen til at forudsige ventilationsflowhastigheder, rensetider og flowmønstre er vigtigt for menneskers komfort og sundhed, som fremhævet af behovet for at forhindre luftbåren spredning af coronavirus, " sagde University of Cambridge-forsker Nicholas Wise.

Med ingeniørprofessor Gary Hunt, Wise fandt et problem i nuværende modeller af passive naturlige ventilationssystemer. Disse bruger ofte forskydningsstrøm - hvor køligere natluft kommer ind i en bygning gennem en åbning, og varmere luft, der er akkumuleret i løbet af dagen, kommer ud gennem en anden åbning.

Deres matematiske modellering afslørede, at forskydningsstrømmen ikke fortsætter under udrensningen af ​​varm luft, som man troede. I stedet, rummet oplever et "ubalanceret udvekslingsflow", som kan bremse udrensningsprocessen.

"Hvert forskydningsflow går over til ubalanceret udvekslingsflow, " sagde Wise.

Forskerne var overraskede over, hvor meget en lille åbning på lavt niveau fremskynder afkøling af rummet, sammenlignet med et rum med kun en høj åbning. Deres model vil være nyttig for designere af naturlige ventilationssystemer.