Innovative Methoden zur Einbindung des relevanten bodennahen Luftaustauschs in vorausschauende städtebauliche Planungsprozesse Ulrich Reuter Leiter Stadtklimatologie, Amt für Umweltschutz der Stadt Stuttgart Marcus Letzel Ingenieurbüro Lohmeyer GmbH & Co. KG, Karlsruhe

Ziel Innovative Darstellungsmethoden der Ergebnisse von dreidimensionalen Simulationsmodellen Ergänzende Darstellungsmethoden für die gutachterliche Praxis

Motivation Typische Szenarien: Zusammenarbeit zwischen Fachleuten verschiedener Disziplinen Kommunikation mit Auftraggeber Bürgerbeteiligung Welche Verbesserungen werden durch die Innovationen angestrebt? Steigerung der Effizienz Steigerung der Akzeptanz (vgl. Vortrag 13:45 Uhr, Herr Beier) Bedarf: Erweiterte Darstellung der Ergebnisse der Gutachten

Status quo 3D-Simulation für umweltmeteorologische Gutachten: Strömungs- und Ausbreitungsverhältnisse Derzeitige Darstellungsmethoden: 1D-Profile, z.B. vertikale Windprofile 2D-Schnitte Horizontal: eben geländefolgend Eingeschränkt: Vertikal Einfache 3D-Ansichten

3 innovative Beispiele Verschiedene Fragestellungen / Anwendungen Verschiedene räumliche und zeitliche Skalen Verschiedene Simulationsmodelle Klimaberechnung stadtweit, Belüftungsverhältnisse → ProWiMo, prognostisches mesoskaliges Modell Windberechnung Stadtteil, Durchlüftung bei Gebäudeumströmung → WinMISKAM, Standard-CFD-Modell für mittleren Zustand Strömungs- und Ausbreitungssimulation Einzelgebäude, Schadstofffreisetzung und -ausbreitung → OpenFOAM, CFD-Modell für Turbulenzsimulation („LES“ = Large-Eddy Simulation)

Beispiel 1 Klimaberechnung: Simulation der Kaltluftströmung im Großraum Stuttgart Modell: ProWiMo Visualisierung: Paraview Szenario: Tagesgang Strömung und Temperatur, Beginn 18 Uhr Übergeordneter Ostwind Nächtliche Kaltluft- abflüsse modifizieren die Windrichtung lokal

Beispiel 1 Klimaberechnung: Simulation der Kaltluftströmung im Großraum Stuttgart Basis: perspektivische 3D-Darstellung Potentielle Temperatur in 10 m über Grund (Farbe) Geschwindigkeitsfeld in 10 m über Grund (Vektorpfeile) Innovationen in der 3D-Darstellung: Vertikale Geschwindigkeitsprofile Beliebig orientierte Schnitte Geschwindigkeitsfelder in zwei Höhen über Grund gleichzeitig

Beispiel 1 Klimaberechnung: Simulation der Kaltluftströmung im Großraum Stuttgart Film (extern) Beliebiger Schnitt, transparent: Kaltluftabfluss 23 Uhr Achtung: Wahl einer speziellen Farbskala für detaillierte Temperaturverteilung Übergeordnete Strömung als zweites Vektorfeld (grün)

Beispiel 2 Windberechnung: Simulation der Strömung in einem Stadtteil Modell: WinMISKAM Visualisierung: Paraview Szenario: Strömungsverhältnisse in typisch mitteleuropäischem Stadtteil (sog. „Michelstadt“)

Beispiel 2 Windberechnung: Simulation der Strömung in einem Stadtteil Basis: perspektivische 3D-Darstellung Innovationen: Stromlinien Beliebig orientierte Schnitte (Auch Innovationen aus Beispiel 1 sind hier möglich.)

Beispiel 2 Windberechnung: Simulation der Strömung in einem Stadtteil Film (extern) Beliebiger Schnitt: Windkomponente quer zur Anströmung

Beispiel 3 Gekoppelte Strömungs- und Ausbreitungsrechnung: Schadstoffausbreitung im Nachlauf eines Einzelgebäudes Modell: OpenFOAM Visualisierung: Paraview Szenario: Emission aus einem (unsichtbaren) Schorn- stein Ausbreitung der Schadstoffwolke

Beispiel 3 Gekoppelte Strömungs- und Ausbreitungsrechnung: Schadstoffausbreitung im Nachlauf eines Einzelgebäudes Basis: perspektivische 3D-Darstellung Quelle schwarz Schadstoffwolke Innovationen: Intuitiver Eindruck der zeitlichen und räumlichen Ausbreitung Isooberfläche(n) im Raum: Position: vorgegebener Wert einer Variable (hier: Konzentration) Farbe: Wert einer ggf. anderen Variable (hier: Windgeschwindigkeit) (Auch Innovationen aus den Beispielen 1 und 2 sind möglich.)

Beispiel 3 Gekoppelte Strömungs- und Ausbreitungsrechnung: Schadstoffausbreitung im Nachlauf eines Einzelgebäudes Filme (extern) Zum Vergleich: Mittlere Konzentrationsverteilung in der Symmetrieebene

Zusammenfassung Ein „Werkzeugkasten“ zur flexiblen, bedarfsgerechten und intuitiv verständlichen 3D-Visualisierung von 1D-, 2D- und 3D-Daten ist z.B. Paraview. Folgende innovative Darstellungsmöglichkeiten: Vertikale Geschwindigkeitsprofile als Trajektorien Beliebig orientierte Schnitte Geschwindigkeitsfelder in zwei Höhen über Grund gleichzeitig Stromlinien und Partikel Isooberfläche(n) im Raum Die 3D-Visualisierung bietet einen weiteren Einblick in die fachlichen Zusammenhänge dreidimensionaler Simulationsmodelle.