Erfassung und Analyse transienter und mikroskaliger Strömungs- und Transportprozesse in komplexen urbanen Strukturen

Abstract

Ein wichtiger Faktor für das Wohlbefinden des Menschen in Städten ist die Böigkeit des Windes und der damit verbundene Luftschadstofftransport weg von den Hauptverkehrsstraßen. In vielen Windkomfortkriterien wird die Böigkeit des Windes bereits als Indikator verwendet. Speziell bei der Stadtplanung sollte die Böigkeit des Windes verstärkt berücksichtig werden, wofür einfache Kriterien oder auch validierte, hochaufgelöste numerische Modelle benötigt werden. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts „Stadtklima im Wandel“ werden hochaufgelöste Validierungsdaten erzeugt. Dafür wurden im WOTAN Grenzschichtwindkanal der Universität Hamburg insgesamt vier detaillierte Stadtmodelle gebaut. Das erste Modell bildete die HafenCity in Hamburg ab, welches den Vorteil bot zwei Bebauungszustände untersuchen zu können. Das zweite und dritte Modell stellten Ausschnitte aus Berlin dar, wobei Regionen gewählt wurden, an denen Naturmessungen durchgeführt wurden. Für das vierte Modell wurde ein Ausschnitt aus der Innenstadt von Stuttgart nachgebaut. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die turbulenzauflösenden Strömungsmessungen hinsichtlich der Böigkeit des Windes ausgewertet. Sowohl für den Böenfaktor als auch für das Verhältnis von maximalen turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen zur Standardabweichung turbulenter Schwankungsbewegungen konnte kein fester Wert bestimmt werden. Im Weiteren zeigte sich eine lineare Abhängigkeit des Böenfaktors zur Turbulenzintensität und ein signifikanter Einfluss vom Effekt von Bäumen und der Umgebungsbebauung und somit von der Anströmwindrichtung. Von der Anströmwindgeschwindigkeit war der Böenfaktor unabhängig, ebenso ergaben sich keine Unterschiede bei den Böenfaktorwerten zwischen den Städten. Beim Böenkriterium nach der Definition des Deutschen Wetterdienstes ergaben sich signifikante Änderungen sowohl durch die Umgebungsbebauung und den Effekt von Bäumen als auch durch die Anströmwindgeschwindigkeit. Dadurch zeigten sich ebenfalls Unterschiede in den Ergebnissen der verschiedenen Städte. Bei der Auswertung des Luftschadstofftransports von Hauptverkehrsstraßen wurde nachgewiesen, dass Luftschadstoffe über Dachniveau in Hinterhöfe und bis 1 km Entfernung transportiert werden. Bei turbulenten Strömungen können Schadstoffe auch gegen die Anströmwindrichtung transportiert werden. Hinter großen Gebäuden können sich Rezirkulationsgebiete bilden, wodurch Schadstoffe selbst auf Dachniveau gemessen werden können.

The gustiness of wind and the related transport of pollutants from main streets is an important factor for human comfort in cities. Many wind comfort criteria already use the gustiness of wind as an indicator. To increase the consideration of the gustiness of wind specifically in city planning, simple criteria or validated, high resolution numerical models are required. Within the scope of the project "Urban climate under change", which is funded by the Bundesministerium für Bildung und Forschung, high-resolution validation data are created. A total of four detailed city models were built inside the WOTAN environmental wind tunnel at the University of Hamburg. The first model reproduced the HafenCity in Hamburg which offered the advantage to examine two different development states. The second and third model reproduced parts of Berlin where field measurements took place. For the fourth model, a part of the Stuttgart city center was copied. In this dissertation, turbulence resolving flow measurements were evaluated with regard to the gustiness of wind. No fixed value could be identified for the gust factor, as well as for the peak factor. Furthermore, the gust factor was shown to have a linear dependency to the turbulence intensity, and was affected significantly by nearby trees and buildings, and therefore by the incoming wind direction. The gust factor was independent of the incoming wind velocity, and did not differ between cities. Using the definition of gust from the Deutscher Wetterdienst, significant changes were caused by differences in nearby buildings, trees and incoming wind velocity. Furthermore, the results of different cities varied. While evaluating the transport of pollutants from main streets, it was shown that pollutants were transported over roof levels into backyards, and to distances up to 1 km. Also, pollutants were transported within turbulent flows in the opposite direction of the incoming wind flow. Recirculation zones can be formed behind of large buildings, causing pollutants to be detectable on roof level.