All day radiation in urban green infrastructure modeling with CFD - using OpenFOAM's finite volume Discrete Ordinates model

Urban vegetation provides social, economic, health, visual and aesthetic benefits to humans. A correlation exists between green coverage and perceived temperature, and between green coverage and wealth of a neighbourhood. As global warming increases these effects may also increase. Urban planners need to be able to quantify the effects of urban greenery on their plans, to make efficient use of the available resources. However, accurate and reliable tools are not yet fully developed. In the attempt to bridge this knowledge gap, a Computational Fluid Dynamics approach is used to analyse the outdoor flow, considering the full vegetation contribution on velocity, turbulence, temperature and humidity. The flow of moist air is modeled using the incompressible steady-state Raynolds Averaged Navier Stokes equations. Vegetation is modeled as a source term in the field equations. A C++ library is added to OpenFOAM and validated with literature, providing a flexible tool for studying Urban Green Infrastructure Models on three-dimensional non block based meshes, with all day radiation. The model is compared to the existing OpenFOAM implementation and demonstrates to be more complete in the description of turbulence, and in the modeling of energy exchange with air. While the existing implementation only considers the sensible contribution, the proposed one considers the latent and radiative contribution too, coupled with the sensible one. Early outcomes of the developed tools show that an increase in velocity causes an increase in drag, it does not impact turbulence intensity, reduces the effect of transpirative cooling. It is found that varying the solar altitude does not have a significant effect on transpirative cooling, which provides a temperature benefit of about 1 [°C], but the impact of self-shading can be observed, especially as trees get taller and sparser.

La vegetazione urbana fornisce benefici sociali, economici, di salute, visuali ed estetici agli umani. C'è una correlazione tra la copertura verde e la temperatura percepita, e tra la copertura verde e la ricchezza di un quartiere. Mentre il riscaldamento globale aumenta questi effetti possono accentuarsi. I progettisti delle città hanno bisogno di poter quantificare l'effetto della vegetazione urbana nei loro progetti, per fare un uso efficiente delle risorse disponibili. Tuttavia, strumenti accurati e affidabili non sono ancora completamente sviluppati. Nel tentativo di riempire questo gap di conoscenza, un approccio basato su Computational Fluid Dynamics è utilizzato per analizzare il flusso esterno, considerando il contributo completo della vegetazione su velocità, turbolenza, temperatura e umidità. Il flusso di aria umida è modellato usando le equazioni Raynolds Averaged Navier Stokes in regime stazionario. La vegetazione è modellata come una sorgente nelle equazioni di trasporto. Una libraria in C++ è aggiunta a OpenFOAM e validata con la letteratura, fornendo uno strumento flessibile per studiare Modelli di Infrastruttura Verde Urbana su mesh tridimensionali non basate su blocchi, con radiazione incidente ad angolo variabile. Il modello è comparato a quanto già esistente in OpenFOAM e si dimostra più completo nella descrizione della turbolenza, e nella modellazione dello scambio energetico con l'aria. Mentre l'implementazione esistente considera solo il contributo sensibile, quella proposta considera anche i contributi latente e radiante, associati a quello sensibile. I primi risultati degli strumenti sviluppati mostrano che l'aumento della velocità dell'aria causa un incremento dell'attrito, non ha impatto sull'intensità turbolenta, riduce l'effetto dell'evapotraspirazione. Si mostra che variare l'angolo solare non ha un impatto significativo sull'evapotraspirazione, che fornisce un beneficio sulla temperatura di circa 1 [°C], ma l'impatto dell'ombreggiamento reciproco è osservabile, specialmente all'aumentare dell'altezza e dello spazio tra gli alberi.