Development of an architectural aerodynamics algorithm for early design stage

Abstract

Binaların içindeki ve etrafındaki hava akımlarını hızlı bir şekilde tahmin etmek, erken tasarım aşamasında çok önemlidir. Bu kapsamda rüzgâr-bina etkileşimini tahmin etmek için sayısal ve deneysel metotlar kullanılır. Bu metotlar yerinde ölçümler, rüzgâr tüneli testleri, "Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD)" ile sayısal benzeşimlerdir. Ancak özellikle tasarımın ilk aşamalarında, bu sayısal ve deneysel yöntemler ciddi zaman aldıklarından, mimari aerodinamik analizleri için pratik olamamaktadır. Ayrıca hepsi akışkanlar dinamiği hakkında derinlemesine bilgi gerektirir. Ek olarak bu yöntemler, özellikle yapı formunun dinamik olarak değiştiği ve gerçek zamanlı sonuç almanın gerekli olduğu parametrik form optimizasyon çalışmaları için pratik değildir. Tüm bu nedenlerden dolayı hızlı ve stabil bir analiz yöntemine ihtiyaç duyulmaktadır. Gerçek zamanlı olarak akışkanları benzeştirmek söz konusu olduğunda bilgisayar oyunları öne çıkar. Çünkü yaratılan sanal çevrede anlık olarak gerçekçi sonuçlar elde etme gerekliliği vardır. Üstelik alınan bu sonuçların kullanıcıyı görsel olarak tatmin etmesi gerekmektedir; aksi takdirde son dönemde oyunlar için olmazsa olmaz beklenti olan "inandırıcılık" yok olmaya başlayacaktır. Bu kapsamda günümüzdeki en son eğilim, parçacık tabanlı algoritmalardır. Zira bu özel amaç için çok verimli bir yöntem olmakla birlikte daha önce mimari aerodinamik alanında kullanıldığı söylenemez. Diğer taraftan bu yöntem anlık görsel bir gerçekliği hedeflediğinden, bina etrafındaki akışlar için ciddi anlamda iyileştirilmesi ve geliştirilmesi gerekmektedir. Bu noktada bu yönteme referansla, sonlu kontrol hacmi veya karmaşık çözücü tanımları gerektirmeyen, otomatik olarak yürütülen bir analiz sürecine sahip çok güçlü bir algoritma geliştirilmiştir. Kapsamlı bir akışkanlar dinamiği algoritması tasarlamak için mimari aerodinamiğe ilişkin detaylı bir literatür araştırması yürütülmüş ve buna ek olarak mevcut parçacık tabanlı yöntemler, analiz yönteminin anlatıldığı bölümde artı ve eksi yönleriyle incelenmiştir. Araştırmalar sonrasında en net benzeşime, sanal bir rüzgâr tüneli ve inceleme alanına sürekli olarak sağlanan parçacıklarla ulaşılabileceği görülmüştür. Bu kapsamda parçacıklar ve sanal tünel bir ana çözücü sınıfına bağlanmış ve benzeşebilir hale gelmiştir. Süreç boyunca akışkanlar dinamiği denklemlerinden alınması gereken tüm parametreler dikkatlice seçilmiş ve ön tasarım aşaması düzeyinde bir benzeşimin gerçekleştirilmesi için sonuçlara etkisi kısıtlı olabilecek tüm bileşenler sadeleştirilmiştir. Orijinal sistemi tam olarak kopyalamak yerine, analizin yapılması için gerektiği kadar benzeştirmek çok önemlidir. Bu çalışmada hava akımının parçacık seviyesine indirgenmesi bundan dolayı gerçekleştirilmiştir. Parçacıklar, çözücünün temel yapı taşlarıdır ve her parçacık konum, yön ve hız gibi özelliklere sahiptir. Hava akımının parçacık seviyesine düşürülmesine rağmen parçacıkların birbirleriyle ve bina geometrileriyle etkileşimi için akışkan denklemlerinin net bir şekilde tanımlaması da gerekmektedir. Akışkanlar dinamiğinde akışı matematiksel olarak tanımlamak için iki yöntem bulunmaktadır: Lagrangian ve Eulerian. Bu çalışmada hız, her partikül için zamanın bir fonksiyonu olarak ele alınmıştır. Diğer bir deyişle, Lagrangian koordinatları kullanılarak akım tanımlanmıştır. Lagrangian entegrasyonundaki konuma ek olarak tüm parçacıklar temel akışkan özelliklerine sahiptir ve her parçacık serbest bir şekilde hareket edebilir. Fakat her yinelemede parçacıkların yeri, kütlesi ve hızı bilinmelidir. Bu sebeple gerçek zamanlı çalışabilmekte ancak bu durum ciddi anlamda işlem hacmi gerektirmektedir. Bu kapsamda algoritma çok sayıda iyileştirmeden geçirilmiş ve ortalama niteliklere sahip cihazlarda dahi çalışabilecek seviyeye ulaşınca nihai halini almıştır. Arka planda çalışacak algoritma hazır hale geldikten sonra ön planda kullanıcıyı karşılayacak bir arayüz geliştirilmeye başlanmıştır. Algoritmada barınan fonksiyonelliğin kullanıcıya net ve verimli bir biçimde aktarılabilmesi adına mümkün olan en az sayıda buton ve diyalog ekranları tasarlanmış ve beta kullanıcı geri bildirimleriyle kullanıcı deneyimi en üst düzeye ulaştırılmaya çalışılmıştır. Kullanıcı arayüzü tasarlandıktan sonra algoritmanın sayısal ve deneysel olarak doğrulanabilmesi adına çalışmanın analiz girdisini oluşturacak vaka çalışmaları seçilmiştir. Literatürde bu seçimlere ilişkin net bir kriter bulunmamaktadır. Vaka çalışmalarının biçimsel özelliklerinin belirlenmesindeki en önemli parametre, daha büyük bir sıklığı temsil edecek düzeyde yaygın karşılaşılan bina, bina grubu ve iç mekân konfigürasyonlarında bina-rüzgâr etkileşimlerini incelemek ve algoritmanın doğruluğunu diğer yöntemlerle de karşılaştırarak sınamaktır. Bu amaca uygun olarak dokuz farklı vaka çalışması seçilmiştir: üç tekil yapı, üç bina grubu ve son olarak da üç iç mekân. Yapılan analizler sonrasında geliştirilen algoritmanın detayları ve gerçek zamanlı çıktısı tezin içeriğinde verilmiştir. Daha sonra bu çıktılar geçerliliği kabul görmüş sayısal ve deneysel analizlerle kıyaslanmış ve doğrulama sonuçları karşılaştırmalı olarak aktarılmıştır. Doğrulama çalışmaları neticesinde, geliştirilen algoritmanın erken tasarım aşaması mimari aerodinamik analizlerinde mimarlar için bir rehber niteliğinde olabileceği görülmüştür. Bu tezde sadece yeni ve özgün bir algoritma sunulmamış, aynı zamanda mimarlık ve mühendislik perspektifinden bir analiz metodolojisi oluşturulmuştur. Bu tezin metodolojisi ve sonuçları mimari aerodinamik alanında yeni bir yöntemle daha fazla araştırma yapılması için bir rehber teşkil edebilecek ve böylelikle iç mekanların ve kentsel alanların rüzgârla etkileşim kalitesinin artmasına katkıda bulunabilecektir.

Estimating airflow characteristics in and around buildings fast is very significant in the early design stage. Three well-known methods or a combination of them are used to estimate wind-building interaction. These are on-site measurements, reduced-scale wind tunnel tests or numerical simulation with Computational Fluid Dynamics (CFD). However, especially for the early steps of design, these numerical and experimental methods are very time consuming for architectural aerodynamics analysis. Besides, they all require in-depth knowledge of Fluid Dynamics. In addition, especially in the case that the building form changes dynamically like parametric form optimization studies, it is required to take the output fast. Due to all of these reasons, a need for a fast and robust method occurs. When it comes to simulating fluids in real-time, there are many instances in computer games where achieving realistic outcomes in a matter of frames aimed. In the gaming industry, the latest tendency is Particle-based algorithms since they are very efficient methods for this specific aim, however, they have not been used in architectural aerodynamics before. At this point, with referencing these algorithms, a very powerful method with an automated work-line which doesn't require finite control volume or complex solver definitions is developed. The details of the developed algorithm and the real-time output of it are given. Then, to validate the algorithm, nine generic building configurations were analyzed by both the numerical and the experimental methods. Out of these validations, it is seen that the developed algorithm can be a guide for architects in architectural aerodynamics analysis of the early design stages. In this thesis, not only an efficient algorithm is presented, but also, a research methodology from architectural and engineering perspectives is offered. The literature review part, then the development of the algorithm section and last the validation technique and the conclusions all prepared consecutively to constitute a research methodology for the reader. This is significant because the methodology and the results of this thesis constitute a guide for further researches on architectural aerodynamics with a new method and consequently contribute to improved wind quality of indoor and urban areas.