Numerical characterization of porous screens : a comparison between explicit modeling and porous media approach

Over the years new technologies based on the application of porous screens have been developed. Their capability of changing the properties of the flow in terms of pressure and speed orientation makes them always an interesting object to be investigated. Current applications in civil engi- neering show their use as an external skin for the buildings aimed to screen solar light and to interact with the incoming wind. This second effect is studied in this work by resorting to Computational fluid dynamics as principal tool of investigation. Numerical simulations have be- come a valid and less expensive alternative to experimental tests in wind tunnels: the starting idea is to verify how much numerical results are in agreement with experimental ones and with the existing literature concern- ing this point for different screen geometries. Successively a porous media approach has been developed as a way alterna- tive to the explicit simulations: the aim is to reproduce the effects of porous screens without modeling them in the numerical domain. Algebraically these aerodynamic effects are reconstructed with the Darcy Forchheimer model and inserted inside Navier-Stokes momentum equation as a sink term: this term would represent the pressure gradient produced by the presence of a porous media inside the flow. The outcome is a new solver that is able to reproduce the effects of the screen without the physical presence of it. The results show the capability of the solver to predict the behaviour of the porous screen both for 2D and 3D geometries especially for the conditions in which the maximum loads are registered.

Nel corso degli anni sono state sviluppate nuove tecnologie basate sull’applicazione di superfici porose. La loro capacità di cambiare le proprietà dell’aria in termini di pressione e direzione della velocità le rende sempre degli interessanti oggetti di investigazione. Un’attuale applicazione nell’ingegneria civile le vede utilizzate come superfici esterne per gli edifici con lo scopo principale di schermare la luce solare e di interagire con il vento incidente. Questo secondo effetto è studiato in questo lavoro attraverso l’utilizzo della fluidodinamica computazione come principale strumento di calcolo. Le simulazioni numeriche sono diventate una valida e meno costosa alternativa agli studi sperimentali in galleria del vento: l’idea iniziale è quella di verificare quanto i risultati numerici siano in accordo con quelli sperimentali e con la l’esistente letteratura a riguardo. Successivamente è stato sviluppato il porous media approach come alternativa alle simulazione esplicite: l’obiettivo è quello di riprodurre gli effetti degli schermi porosi senza modellarli nel dominio computazionale. Algebricamente questi effetti aerodinamici sono ricostruiti con il modello di Darcy-Forchheimer ad inseriti all’interno dell’equazione di quantità di moto delle equazioni diNavier-Stokes come termine sorgente: questo termine rappresenterebbe il gradiente di pressione prodotto dalla presenza del mezzo poroso dentro al flusso. Il risultato è un nuovo solutore che è capace di riprodurre gli effetti dello schermo senza la sua presenza fisica. I risultati mostrano la capacità del solutore di predire il comportamento degli schermi porosi sia per le geometrie 2D che per quelle 3D specialmente per le condizioni in cui sono registrati i carichi più elevati.