LES simulation of turbulent wind around a square-base tower, employing the lattice Boltzmann method.

In the context of wind engineering (WE), the cooperation between experimental – mainly wind tunnel tests – and computational approaches is getting stronger in research and more aimed in industrial applications. This is encouraged by the recent development of innovative numerical methods which allow to simulate full scale complex turbulent flows and transient phenomena, and by the enhancement of modern computing resources. In this frame, large-eddy simulations (LES) are gaining more interest than traditional Reynolds-averaged Navier-Stokes methods (RANS), thanks to their capability to solve large-scale turbulence and to predict instantaneous physical quantities. However, despite they proved to give better results compared to the most industrially employed RANS, their main drawback is still the longer computational time. An attempt to reduce the computational time of LES calculations, is the combination of these methods with innovative approaches for the resolution of the Navier-Stokes equations (NSE). The lattice Boltzmann method is one of these promising methodologies, which is based on the kinetic theory at a mesoscopic scale and then an expansion to the global scale, rather than the direct resolution of the NS macroscopic equations. The main advantages of this method are finally a simpler numerical implementation and a great adaptivity to mass parallel computation. The main positive differences from conventional approaches (such as finite element, finite volume) are mainly the following ones: first, the convection operator is linear, instead of being genuinely nonlinear in NSE, leading to an optimized node-coupling streaming step (which is a Lagrangian implementation of the advection operator); second, the non-linearities (collision) take place at the node itself; third, the resolution of pressure for incompressible fluid is indirectly based on the equation of state, and not on the resolution of the Poisson’s equation. Moreover, it’s intrinsic time dependence, makes this approach suitable to be integrated with LES methods. At M2P2 laboratory, a unit of research co-joint to the Aix-Marseille Université, the Ecole Centrale Marseille and the CNRS, an LBM-based solver called ProLB, has been adapted to LES, first for aerospace engineering applications. It has also been used for wind engineering application concerning mainly pedestrian comfort and pollutant dispersion. In the present work a civil application is instead considered, focusing on the analysis of the influence of the model used to reconstruct inlet turbulence, the wake and the forces acting over a simplified building. The technique to generate the inlet turbulence is known as synthetic-eddy method (SEM), and its improvement and implementation is matter of research at M2P2. The aim of the present work is to validate the capability of the SEM used to generate a physical-like turbulent wind, given experimental data, and the reliability of the LBM-LES method to predict the interaction fluid-structure, in terms of wake and loads, both global and local. For the purpose, an isolated slender tower, with aspect ratio AR= height/base length = 49 is considered. The validation is made by comparing the numerical results with high-resolution wind tunnel measurements, which were performed and provided by the Centre Scientifique du Batiment (CSTB) of Nantes (France). First, the influence of different parameters that define the turbulent inlet is investigated, together with the determination of the optimal inlet condition. Secondly, the interaction between flow and structure is analysed, in terms of wake and loads, both global and local. The effect of different boundary conditions at the tower's wall is also considered.

Nel contesto dell'ingegneria del vento, si sta consolidando una sempre più forte cooperazione tra il più tradizionale approccio sperimentale - principalmente test in galleria del vento - e quello computazionale (CFD), sia nella ricerca che in ambito industriale. Ciò è frutto sia del progresso delle attuali risorse di calcolo, sia dello sviluppo di metodi di CFD innovativi che permettono di simulare fenomeni complessi e transitori di turbulenza in scala reale. In particolare, i metodi di Large-Eddy Simulation (LES) hanno acquisito maggiore interesse rispetto ai tradizionali Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS), grazie alla loro capacità di risolvere le scale maggiori della turbulenza e di predire fenomeni transitori. Sebbene i LES garantiscano risultati più completi e accurati rispetto ai RANS, il tempo di calcolo è intuitivamente molto più importante, limitandone pertanto l'utilizzo in applicazioni industriali. Un tentativo di ottimizzare il calcolo è la combinazione di questi metodi con approcci non conventionali che meglio si prestano all'implementazione numerica, risolvendo in modo indiretto le equazioni di Navier Stokes (NS) su cui si basa la fluido dinamica computationale. Il metodo lattice-Boltzmann (LBM) è uno di questi approcci innovativi, che si basa sulla formulazione della teoria cinetica che regola le interazione delle "particelle" di fluido, per poi ricostruire in scala macroscopica il comportamento del fluido come continuo. I principali vantaggi di questo metodo è che risulta infine più semplice da implememtare numericamente e si presta particolarmente alla parallelizzazione. Nei fatti, le prinipali differenze rispetto agli approccio tradizionali di risoluzione di NS (elementi finiti, volumi finiti) sono le seguenti: l'operatore di convezione è lineare; le non-linearità hanno luogo nel nodo stesso; la risoluzione della pressione in caso di fluidi incomprimibili si basa indirettamento sull'equazione di stato dei gas e quindi non implica la risoluzione del'equazione di Poisson. Infine, l'intrinseca dipendenza temporale del metodo, lo rende affine all'applicazione LES. Presso il laboratorio M2P2 di Marsiglia (Francia), un'unità di ricerca legata comunemente all'Università di Aix-Marseille, all'Ecole Centrale di Marsiglia e al CNRS, é stato adattato al LES il software ProLB, che è basato sul LBM, per applicazioni di ingegneria aerospaziale. E' stato anche impiegato in casi di ingegneria del vento per la valutazione del comfort dei pedoni e della dispersione di gas. Nel presente studio, viene invece considerata un'applicazione nell'ambito dell'ingegneria civile, focalizzandosi sia sull'influenza del modello utilizzato per la generazione della tubulenza in ingresso sia sull'analisi dell'interazione fluido-struttura. La tecnica per generare la turbulenza artificiale in entrata è conosciuta come synthetic-eddy method (SEM), e la sua implementazione e perfezionamento sono oggetto di studio presso M2P2. Lo scopo del presente lavoro è di validare la capacità del SEM in uso per la generazione di un vento, a partire da dati seprimentali, e l'affidabilità del metdodo congiunto LBM-LES per predire i campi di velocità e di pressione attorno e sull'edificio. Nel caso specifico, una torre isolata di rapporto altezza/base = 49 è presa in considerazione. La validazione è fatta comparando il risultato numerico con misurazioni ad alta risoluzione ottenute e fornite dal Centre Scientifique du Batiment (CSTB) di Nantes (Francia). Innanzitutto, viene valutata l'incidenza di diversi parametri del SEM sulla turbulenza generata e vengono determinate le condizioni di ingresso ottimali. Successivamente, viene analizzata l'interazione tra fluido e struttura, per quanto riguarda velocità, forze globali e pressioni nel dominio del tempo e delle frequenze. Infine alcuni modelli per l'interfaccia solido-fluido vengono proposti e comparati.