Assessing real weather conditions impacts and urban area thermal performance via CFD modeling : a study on the formation and population dynamics of an urban area

Abstract

This thesis aims to examine the problems that may arise in an urban area and minimize the adverse effects of extreme weather events such as heatwaves. To achieve this goal, different urban configurations with various geometries and material usage are modeled and analyzed in Yesilkoy/Istanbul using a commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) program. The models are simulated with weather conditions (extreme and average) obtained from long-term meteorological records measured by the Turkish State Meteorological Service. The overall study encompasses four different case studies. The first case study focuses on creating a basic urban area with two parameters (albedo and aspect ratio). The second case study involves the effects of different weather conditions on the microclimate and a comparison of the numerical approach and TS 825 standards. The third case study examines the heat fluxes released from the urban area to the environment and aims to improve their performance. The fourth case study addresses the solution to excessive heating resulting from an increasing number of buildings and investigates the wind characteristics in canyons. As a result of the analysis, the highest average building surface temperature value difference between the low albedo and high albedo scenarios is calculated as 2.9 °C at 11 o'clock. With the effect of aspect ratio, the average temperature on the building surfaces decreased by at most 1 degree at 11 am. As a result of the roof design the average temperature difference on the building surfaces is at 1 pm and 2 pm, with a maximum of 0.6 °C. The cool roof strategy, which is used to reduce the negative effect of the population, showed the greatest effect at 1 pm and reduced the average temperature on the building surfaces by 1 °C.Bu tez, bir kentsel alanda ortaya çıkabilecek sorunları incelemeyi ve sıcak hava dalgaları gibi aşırı hava olaylarının olumsuz etkilerini en aza indirmeyi amaçlamaktadır. Bu amaca ulaşmak için ticari bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) programı kullanılarak Yeşilköy/İstanbul'da çeşitli geometri ve malzemelere sahip farklı kentsel tasarımlar modellenmiş ve analiz edilmiştir. Modeller, Meteoroloji Genel Müdürlüğü tarafından ölçülen uzun vadeli meteorolojik kayıtlardan elde edilen hava koşulları (ekstrem ve ortalama) ile simüle edilmiştir. Bu tez dört farklı vaka çalışmasını kapsamaktadır. İlk vaka çalışması, iki parametreli (albedo ve en-boy oranı) temel bir kentsel alanın yaratılmasına odaklanmaktadır. İkinci vaka çalışması, farklı hava koşullarının mikro iklim üzerindeki etkilerini ve sayısal yaklaşım ile TS 825 standartlarının karşılaştırılmasını içermektedir. Üçüncü vaka çalışması, kentsel alandan çevreye salınan ısı akışlarını incelemekte ve performanslarını iyileştirmeyi amaçlamaktadır. Dördüncü vaka çalışması, artan sayıda binadan kaynaklanan aşırı ısınmanın çözümünü ele alıyor ve kanyonlardaki rüzgar karakterini araştırıyor. Analizler sonucunda, düşük albedo ve yüksek albedo senaryoları arasındaki en yüksek ortalama bina yüzey sıcaklığı değerlerindeki fark saat 11 de 2,9°C olarak hesaplanmıştır. En-boy oranının da etkisiyle bina yüzeylerindeki ortalama sıcaklık saat 11.00'de en fazla 1 derece azaldı. Çatı tasarımı sonucunda bina yüzeylerindeki ortalama sıcaklık farkı, maksimum 0,6 °C ile 13:00 ve 14:00 olmuştur. Nüfusun olumsuz etkisini azaltmak için uygulanan soğuk çatı stratejisi en büyük etkiyi saat 13.00'te göstermiş ve bina yüzeylerindeki ortalama sıcaklığı 1 °C düşürmüştür.