Numerical modeling of flow and pollutant dispersion in street canyons with tree planting

Abstract

Numerical simulations of the impact of tree planting on airflow and traffic pollutant dispersion in urban street canyons have been performed using the commercial CFD (Computational Fluid Dynamics) code MISKAM. A k-ε turbulence model including additional terms for the treatment of vegetation, has been employed to close the Reynolds-averaged-Navier-Stokes (RANS) equations. The numerical results were compared to wind tunnel data. In the case of the investigated wind direction perpendicular to the street axis, the presence of trees lead to increased pollutant concentrations inside the canyon. Concentrations increased strong on the upstream side of the canyon, while on the downstream side a small concentration decrease could be observed. Lower flow velocities and higher pollutant concentrations were found in the numerical simulations when directly compared to the experimental results. However, the impact of tree planting on airflow and concentration fields when compared to the treeless street canyon as a reference configuration were simulated quite well, meaning that relative changes were similar in the wind tunnel investigations and numerical computations. This feature qualifies MISKAM for use as a tool for assessing the impacts of vegetation on local air quality. Zusammenfassung Numerische Simulationen über die Auswirkungen von Baumpflanzungen auf die Strömungsverhältnisse und die Ausbreitung von Verkehrsemissionen in städtischen Straßenschluchten wurden mit dem kommerziellen CFD (Computational Fluid Dynamics) Code MISKAM durchgeführt. Ein k-ε Turbulenzmodell mit speziellen Zusatztermen zur Vegetationsberücksichtigung kam zum Einsatz um die Reynoldsaveraged-Navier-Stokes (RANS) Gleichungen zu schließen. Die numerischen Berechnungsergebnisse wurden mit Windkanalergebnissen verglichen. Im Fall der untersuchten Windrichtung senkrecht zur Straßenlängsachse führten die Baumpflanzungen zu im Mittel höheren Konzentrationen innerhalb der Straßenschlucht. Deutliche Konzentrationszunahmen waren an der leeseitigen Straβenschluchtwand zu verzeichnen, während an der luvseitigen Wand nur geringe Konzentrationsabnahmen zu beobachten waren. Die numerischen Simulationen ergaben geringere Windgeschwindigkeiten und höhere Schadstoffkonzentrationen gegenüber den experimentellen Ergebnissen. Jedoch wurden die Auswirkungen von Baumpflanzungen auf die Strömungs-und Konzentrationsfelder insofern zufriedenstellend simuliert, als dass die relativen Änderungen im Vergleich zur baumfreien Straßenschlucht als Referenzfall eine gute Übereinstimmung mit den Windkanalmessungen aufwiesen. Somit erweist sich MISKAM geeignet den Einfluss von Vegetation auf die Luftqualität im Straβenschluchtbereich einzuschätzen.

Flow and Dispersion Phenomena in a Simplified Urban Square

“…Similar behaviour was observed inside a street canyon in simulations performed with the same code by [27].…”

“…[24] and [25] used the MUST data set for evaluation, testing with other data sets was performed by [26]. The vegetation model of MISKAM was evaluated by [27] and [28].…”

“…The latter method, the velocity gradient eigenmodes method by [41] is based on the critical point theory. In urban environment, the method was successfully applied for the analysis of flow structures in and around a street canyon by [27] and [28].…”

Influence of avenue-trees on air quality at the urban neighborhood scale. Part II: Traffic pollutant concentrations at pedestrian level

“…Balczo et al, 2009;Buccolieri et al, 2011Buccolieri et al, , 2009Gromke and Ruck, 2012Gromke, 2011;Gromke et al, 2008;Li et al, 2013;Moonen et al, 2013;Salim et al, 2011;Vos et al, 2013;Wania et al, 2012), qualitative and not only quantitative changes in the flow field were observed at the neighborhood scale. The qualitative changes indicate on the one side the necessity to perform studies at the urban neighborhood rather than at the street canyon scale and on the other side to account for avenue-trees, or more general all types of vegetation typical for built-up environments, in microscale urban air quality studies.…”

“…(Balczo et al, 2009;Buccolieri et al, 2009;Gromke and Ruck, 2012Gromke, 2011;Gromke et al, 2008;Li et al, 2013;Moonen et al, 2013;Salim et al, 2011). The reason for this is the flow resistance of tree crowns which slows down the wind and reduces the air exchange between the street canyon and surrounding.…”