Spatio-temporal structures in a simplified urban flow

Abstract

[ES] La comprensión de las estructuras del flujo en áreas urbanas está adquiriendo una importancia cada vez mayor debido a su influencia sobre la planificación urbana, la calidad del aire y la dispersión de contaminantes. En este estudio, se utilizan métodos de vanguardia para el análisis modal de flujos urbanos con el objetivo de lograr una mejor comprensión de los patrones dominantes que tienen lugar en este fenómeno dinámico. Dynamic mode decomposition de orden superior (HODMD), un método sumamente efectivo para el análisis de flujos turbulentos, se utiliza junto con técnicas tradicionales como singular-value decomposition (SVD) y proper orthogonal decomposition (POD) sobre datos de simulación de alta fidelidad en un entorno urbano simplificado. La simulación del flujo se lleva a cabo utilizando el código de elementos espectrales Nek5000 a través de una large-eddy simulation (LES) bien resuelta. El régimen del flujo resultante dependerá en gran medida de la relación entre la altura y la separación de los obstáculos h/l que variará entre 1 y 0.25 para dos obstáculos de pared con una relación entre ancho y altura constante b/h = 0.5. La interacción del flujo en la sección intermedia de los obstáculos influye en las estructuras coherentes, siendo el principal objetivo del presente estudio caracterizar los mecanismos del flujo que promueven esta dinámica en áreas urbanas con diferentes relaciones de separación. En particular, de todas las estructuras vorticales identificadas por el algoritmo HODMD, los modos de baja y alta frecuencia se clasifican según su relación con el vórtice de arco y se denominan generadores y rompedores de arco, respectivamente. Esta clasificación implica que la interacción entre estructuras de baja y alta frecuencia es uno de los mecanismos responsables de la generación y destrucción de estructuras vorticales relevantes entre los edificios. Asimismo, al aumentar la separación, el flujo se vuelve más correlacionado en la dirección transversal al flujo debido a la mayor interacción en la región comprendida entre los obstáculos. Por lo tanto, se ha demostrado que HODMD es una herramienta robusta para describir la física de flujos turbulentos de gran complejidad.

[EN] Understanding flow structures in urban areas is being widely recognised as an important concern due to its effect on urban development, air quality and pollutant dispersion. In this study, state-of-the-art data-driven methods for modal analysis of urban flows are used to achieve a better understanding of the dominant flow processes that occur in this dynamic phenomenon. Higher-order dynamic mode decomposition (HODMD), a highly efficient method in the analysis of turbulent flows, is used in conjunction with traditional techniques such as singular-value decomposition (SVD) and proper orthogonal decomposition (POD) over high-fidelity simulation data of a simplified urban environment. The flow simulation is carried out using the spectral-element code Nek5000 through a well-resolved large-eddy simulation (LES). The resulting flow regime will depend on the height-to-separation ratio h/l varying from 1 to 0.25 for two wall-mounted obstacles with a constant width-to-height ratio b/h = 0.5. The interaction of the flow within the canopy influences the coherent structures, with the objective of the present project being to characterise the flow mechanisms driving the dynamics in urban areas with different separation ratios. Particularly, from all the vortical structures identified by the HODMD algorithm, low- and high-frequency modes are classified depending on their relation to the arch vortex and are referred to as arch generators and breakers, respectively. This classification implies that one of the processes driving the formation and destruction of major vortical structures in between the buildings is the interaction between low- and high-frequency structures. Additionally, when the separation increases, the flow inside the canopy becomes more correlated in the spanwise direction due to the increased interaction of the flow in this region. Therefore, HODMD is shown to be a powerful tool for describing the physics of very complicated turbulent flows.