Large Eddy Simulations of a paradigmatic Urban Heat Island set-up

La convezione di Rayleigh–Bénard rappresenta un modello fondamentale per lo studio del trasporto di calore guidato dalla spinta di galleggiamento. Sebbene numerosi studi abbiano analizzato gli strati limite, la dinamica della circolazione e le leggi di scala, il ruolo combinato della rugosità superficiale e della non omogeneità della temperatura alle pareti rimane poco compreso, nonostante la sua rilevanza per gli ambienti urbani, in cui la geometria degli edifici e i gradienti termici alimentano l’effetto isola di calore. Per affrontare questa problematica, il presente lavoro utilizza il software CFD open-source OpenFOAM per confrontare due approcci Large-Eddy Simulation (LES), l’implicit LES (ILES) e il modello Wall-Adapting Local Eddy-viscosity (WALE), con una Direct Numerical Simulation (DNS) di una configurazione urbana idealizzata, fornendo un quadro di riferimento per valutare l’accuratezza e l’efficienza delle LES nella riproduzione del trasporto di calore convettivo urbano. Inoltre, la configurazione urbana paradigmatica viene indagata in condizioni di convezione mista e ne vengono analizzate le caratteristiche di flusso e di scambio termico.

Rayleigh–Bénard convection is a fundamental model for buoyancy-driven heat transfer. Although many studies have examined boundary layers, circulation dynamics, and scaling relations, the combined role of surface roughness and nonuniform wall temperature remains poorly understood, despite its relevance to urban environments where building geometry and thermal gradients drive the urban heat island effect. To address this, the present work employs the open-source CFD software OpenFOAM to compare two Large-Eddy Simulation (LES) approaches, the implicit LES (ILES) and the Wall-Adapting Local Eddy-viscosity (WALE) model, against Direct Numerical Simulation (DNS) of an idealized urban configuration, providing a framework to evaluate the accuracy and efficiency of LES in reproducing urban convective heat transfer. In addition, the paradigmatic urban set-up is investigated in a mixed convection configuration, and the resulting flow and convection characteristics are analyzed.