The 7th International Conference on Urban Climate, Yokohama, Japan  (June 29‐July 3, 2009) 

 1

External Wind Modeling for Dense and Hi‐Rise Cities 

Validation of turbulence modeling against wind tunnel tests and on‐site measurements 

Raymond M. H. Yau1 Arup Fellow, Wilson Jiang1, Sui‐Hang Yan1, Trevor S. K. Ng1, Rumin Yin1, & Edward Y.Y. Ng2  1 Ove Arup and Partners Hong Kong Ltd,  

2 Department of Architecture, Chinese University of Hong Kong 

Abstract 

Hong Kong and many other urban areas are densely populated city; hi‐rise build form has advantages in land‐use, transportation efficiency, but places severe strains on ventilation environment. With  increasing public concern, guideline  on  Air‐Ventilation‐Assessment  (AVA)  has  been  introduced  to  encourage  good  practices  in  building design through the use of Computational Fluid Dynamics (CFD). 

Despite the prevalence of using CFD in modeling the urban ventilation environment, there remain uncertainties on what  is  the  optimal  combination  of  turbulence models  and  simulation  parameters  (inflow  condition, wall functions, model domain) that gives acceptable accuracy while commanding a reasonable level of computational resources.  This  work  addresses  the  uncertainties  through,  firstly,  studying  each  modeling  parameter  in  an idealized representation of a city‐scape, comparing wind‐tunnel results against CFD; and secondly, the  findings are verified through comparing on‐site measurements taken in Shinjuku to CFD data. 

Within  our  framework,  the  Detached‐Eddy‐Simulation  (DES)  combines  the  computational  efficiency  of  RANS models and the accuracy of LES models, and is best able to represent the interactions between detached flows of closely  packed  buildings  typical  of  Asian  cities.  Recommendations  on  other  simulation  parameters  are  also discussed. 

This work builds on our previous  research  [Yau et al Arup 2007] and  forms  the core of our  recommendations towards formulation of CFD guidelines on Urban Wind Performance Analysis of Hong Kong. 

1 Introduction 

Our study is broadly divided into two stages. For the first stage, a simplified model representing typical scenarios was constructed and the CFD result was verified against results from the wind tunnel. The objective of this stage is  to utilize a  relatively simple situation  to highlight  the different  features of  the  flow  to  facilitate comparison. Results from the averaged DES turbulence model is compared against conventional RANS models. In the second stage, we apply our findings to a real‐life test case at the Shinjuku District of Japan through a comprehensive Air Ventilation Assessment (AVA).  

2 Idealized Model 

In the first part of this paper, we present selected results form a combined wind tunnel scale and real scale CFD study of wind effects on urban wind climate. The wind tunnel test of an idealized city was performed by Yoshie et al (Yoshie et al 2005), this was used as comparison against CFD performed within Arup. The comparisons focused on  accuracy  and  reliability  for  different  simulation  conditions  commonly  used  in  practical  applications were presented  and  discussed.  An  in‐depth  was  also  conducted  to  investigate  the  influence  of  boundary  inflow condition, wall  function  for  buildings,  surrounding  building  range. We  discuss  the merits  and  draw‐backs  of different turbulence models with particular focus on wind effects at pedestrian level.  

 

Turulence Model Comparison with Wind Exp.

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00

Experimental Data

CFD

Res

ult

DES k-e RNG

Wind  Tunnel Test 

Computational Simulation 

Single  high‐rise  model  with surrounding  rows  of  buildings， testing perimeters  located around the centre pedestrian region. 

The seventh International Conference on Urban Climate, 29 June - 3 July 2009, Yokohama, Japan

The 7th International Conference on Urban Climate, Yokohama, Japan  (June 29‐July 3, 2009) 

 2

Figure 1 Methodology of Study – An idealized city profile: A 1/400th scale model is constructed and tested in the wind tunnel. While the equivalent computational geometry in both 1/400th and full‐scale are constructed and tested using computational fluid dynamics techniques. 

2.1 Analysis 

2.1.1 Turbulence Models 

One of  the most  important objectives of our analysis  is  to assess  the performance of  the different  turbulence model currently in use. The particular areas of focus are: 

1. Qualitative accuracy in capturing the important flow features 

2. Quantitative accuracy in predicting pedestrian level wind velocities 

3. Efficient use of computational resources 

In addition  to  the standard and modified k‐ε discussed by Yoshie et al  (Yoshie et al 2005), we also performed simulations using the following models: 

Reynolds Average Navier‐Stokes 

• Spallart‐Allmaras (SA) 

• Reynolds Normalized Group (RNG) 

Eddy Models 

• Detached Eddy Simulation (DES) 

• Large Eddy Simulation (LES) – subject of future work. 

By comparing the results generated from the CFD model against data collected through wind tunnel anemometry, we can see that DES typically outperforms the other models.  

 

Figure  2  Comparison  of  overall  CFD  results  against Wind  tunnel  data.  In  terms  of  velocity magnitude,  DES outperforms conventional RANS models.  

DES  is  inherently an unsteady simulation, and a time averaging  is performed to calculate the averaged velocity over  approximately 18s  (estimated  to be  significantly  larger  than  the  (Strouhal  frequency)‐1.  In our upcoming work, we will study the optimum period required for the DES model to reach steady state.  

3 Air Ventilation Assessment of the Shinjuku Test Case 

The findings from the first part of this study were applied to a realistic built area at the Shinjuku District in Japan using the Air Ventilation Assessment Methodology (AVA).  

 

The seventh International Conference on Urban Climate, 29 June - 3 July 2009, Yokohama, Japan

The 7th International Conference on Urban Climate, Yokohama, Japan  (June 29‐July 3, 2009) 

 3

36

10

98

7

6

5

3

1418

1920

2

1

21

13

22

23243031

32

17 16 1533

34

29

25

26

27

28

11

D

C

Œ “́ _

 

Figure 3 Tests points at the Shinjuku Area 

Figure 4  shows some extracted point results under 16 wind directions. In general, CFD could is able to give good quantitative prediction over 16 wind directions if the point is located at the centre of domain and surrounded by certain  layers  of  buildings. However,  there  are  a  number  of  exceptions,  such  as  point  11  and  28, which  are located at the edge of the model. In particular, the VRs are always over‐predicted for those locations where wind arrives from the non‐building model area (i.e. northern part of point 11 & 28). This is consistent with our findings from  stage 1 where we  found  that a “wind pre‐conditioning”  layers of buildings  is  important  for providing an accurate simulation result. This finding is consistent the 2R surrounding area stipulated in the AVA guidelines. i.e. there would have 1H area for the “wind pre‐conditioning” layers of buildings on ensuring modeling accuracy. 

 

Figure 4 Wind rose of selected test points 

4 Conclusions 

In  this  study,  the  underlying  assumptions  and  physics  of  air  ventilation  in  a  high‐rise  and  densely  built environment is first analysed in a simplified model. In the second stage, the finds were applied and verified in a real‐life situation at the Shinjuku district of Japan. 

RANS  models  are  the  industrial  standards  in  engineering  practices  due  to  its  simplicity  and  relativity  low computational  demand.  However,  this  type  of model  has  its  limitations  on  prediction  accuracy.  Large  Eddy Simulation  Models  (LES)  requires  significant  computational  resources  and  are  impractical  for  commercial applications  for urban environment  flows.  Implementation of Detached Eddy Simulation model  is an optimum compromise  that  combines  the  accuracy  of  LES  in  the  regions  of  interest  while  using  a  practical  level  of computational  resources.  The  simulation  results  shown  that  DES  model  outperforms  the  others  at  both 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

N

NNE

NE

ENE

E

E SE

SE

SSE

S

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW

Exp

SA

RNG

V2F

DES

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

N

NNE

NE

ENE

E

E SE

SE

SSE

S

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW

Exp

SA

RNG

V2F

DES

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSE

S

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW

Exp

SA

RNG

V2F

DES

Point 6

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

N

NNE

NE

E NE

E

E SE

SE

SSE

S

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW

Exp

SA

RNG

V2F

DES

Point 2

Point 28

Point 11

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

N

NNE

NE

E NE

E

ESE

SE

SSE

S

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW

Exp

SA

RNG

V2F

DES

Point 15

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSE

S

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW

Exp

SA

RNG

V2F

DES

Point 17

The seventh International Conference on Urban Climate, 29 June - 3 July 2009, Yokohama, Japan

The 7th International Conference on Urban Climate, Yokohama, Japan  (June 29‐July 3, 2009) 

 4

windward,  leeward and congested locations although DES model may not give a good prediction at open space due to grid resolution issue. DES model is recommended for studying external wind modeling. 

5 Acknowledgement 

The Authors will  like to Thank Prof. Mochida, Prof Yoshie, Dr Kataoka, and Prof Tominaga of AIJ CFD Group for providing the experimental data and invaluable comments. In addition, we will like to show our appreciation for Arup Design  and  Technology  Executive Committee  for providing  funding  to  this enabling  technology  research project (#77314‐13). 

6 Bibilography 

Architectural  Institute  of  Japan.  Guidebook  for  practical  applications  of  CFD  to  pedestrian  wind environment around buildings. Architectural Institute of Japan, Japan, 2007 

CD adapco Group. STAR‐CD – Methodology. CD adapco Group.UK, 2003 

Franke,  J.,  (2006).  Recommendations  of  the  COST  action  C14  on  the  use  of  CFD  in  predicting pedestrian  wind  environment.  In:  The  Fourth  International  Symposium  on  Computational  Wind Engineering, Yokohama, Japan, July 2006. 

Hu C‐H., Wang, F., (2005), ‘Using a CFD approach for the study of street‐level windsin a built‐uparea’, Building and Environment, 40(5):617‐631 

Kataoka H., T. Tamura, Y Okuda and M. Ohashi. Numerical evaluation of the wake field behind high‐rise building by RANS and LES. 12th International Conference on Wind Engineering. Australia, 2007. 

Li  X.X.,  C.H.  Liu,  D.Y.C.  Leung  and  K.M.  Lam,  Recent  progress  in  CFD modeling  of wind  field  and pollutant transport in street canyons. Atmospheric environment. Vol. 40 (2006) 5640‐5658 

Planning  Department  of  HKSAR.  Feasibility  study  for  establishment  of  air  ventilation  assessment system. Hong Kong, 2005 

Sahm  P.,  P.  Louka,M.  Ketzel,  E.  Guilloteau  and  J.  Sini.  Numerical  and  experimental  modeling  of pollutant dispersion in a street canyon. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. Vol. 90 (2002) 321‐339 

Yau  R.,  S.  H.  Yan,  R.  Yin.  Air  Ventilation  Assessment  by  External Wind Modelling  Using  Different Turbulence Models. Arup Research Review (2008) 32‐35 

Yoshie,  R., Akashi, M.,  Tominaga,  Y., Hiroto,  K.,  Yoshikawa, M.,  (2005)  ‘Cross  Comparisons  of  CFD Prediction  for  Wind  Environment  at  Pedestrian  Level  around  Buildings’,  The  Sixth  Asia‐Pacific Conference on Wind Engineering (APCWE‐VI) Seoul Korea, September 12‐14, 2005 

Walton A., A.Y.S. Cheng and W.C. Yeung. Large‐eddy simulation of pollution dispersion  in an urban street  canyon –part  I:  comparison with  field data. Atmospheric Environment. Vol. 36  (2002) 3601‐3613 

 

 

 

 

The seventh International Conference on Urban Climate, 29 June - 3 July 2009, Yokohama, Japan