Análisis del impacto de la configuración numérica en el modelado del patrón de viento que experimenta un dron en trayectorias urbanas

Abstract

[ES] El estudio de flujos urbanos resulta de gran interés, especialmente en la planificación de ciudades más sostenibles y saludables que favorecen el bienestar. Adicionalmente, permite mejorar el diseño y construcción de estructuras, así como el aprovechamiento de energías renovables como la eólica. No obstante, en la actualidad la aparición de UAVs abre una nueva ventana en este campo de estudio: la aeronavegación urbana.

Así pues, en este documento se aborda un análisis mediante técnicas CFD del comportamiento del aire alrededor de un dominio que simula la ciudad de Benidorm, haciendo uso del software comercial STAR-CCM+. El objetivo principal es analizar el impacto de la configuración numérica del caso sobre el patrón de velocidades que experimentaría un dron en ciertas trayectorias. Para ello, se realiza un análisis de independencia y composición del mallado, así como del efecto del modelado de la ABL en la entrada, la cantidad de edificios que envuelven a la región de interés y el uso de diferentes submodelos de turbulencia tipo RANS.

Los resultados reflejan que las simulaciones presentan gran sensibilidad a la configuración numérica, especialmente a los modelos de turbulencia. Se demuestra que se requiere un mallado extremadamente fino y computacionalmente costoso para alcanzar la independencia. El modelado de la ABL resulta relevante, especialmente el uso de perfiles de velocidad logarítmicos, mientras que los perfiles de k y ¿ pueden dar lugar a inestabilidades. Finalmente, se concluye que los edificios delanteros son aquellos que afectan de manera más significativa a los resultados.

[EN] The study of urban flows is of great interest, especially in the planning of more sustainable and healthier cities that promote well-being. Additionally, it allows for the improvement of the design and construction of structures, as well as the utilization of renewable energies such as wind power. However, currently the emergence of UAVs opens a new window in this field of study: urban air navigation.

Therefore, this document addresses an analysis using CFD techniques to study the airflow behavior around a domain that simulates the city of Benidorm, using the commercial software STAR-CCM+. The main objective is to analyze the impact of the numerical configuration of the case on the velocity pattern that a drone would experience in certain trajectories. To achieve this, an analysis of mesh independence and composition is carried out, as well as the effect of the ABL modeling at the inlet, the number of buildings surrounding the region of interest, and the use of different RANS turbulence submodels.

The results reflect that the simulations are highly sensitive to the numerical configuration, especially the turbulence models. It is demonstrated that an extremely fine and computationally expensive mesh is required to achieve independence. The modeling of the ABL is relevant, particularly the use of logarithmic velocity profiles, while profiles of k and ¿ can lead to instabilities. Finally, it is concluded that the frontal buildings are the ones that have the most significant impact on the results.