Análisis del flujo de aire exterior con Airflow Analyst
El complemento de ArcGIS Pro que hace que el análisis del flujo de aire exterior sea más accesible
16 de agosto, 2021 | Ryo Araya - Takanori Uchida
La pandemia de COVID-19 ha transformado el estilo de vida de las personas sin medida. Debido a que la exposición a pequeñas gotas respiratorias infecciosas y partículas de aerosol es la principal forma en que los seres humanos contraen la enfermedad, gran parte del mundo ha pasado buena parte del último año y medio distanciándose socialmente, restringiendo las actividades fuera del hogar, desinfectando espacios, lavándose las manos y utilizando máscaras.
Tomará tiempo para que la vida vuelva a la normalidad. Mientras tanto, la nueva normalidad requerirá continuar reduciendo el riesgo de propagación de COVID-19 mediante la promoción de la ventilación en espacios donde se reúne una gran cantidad de personas.
La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha publicado una guía para mejorar el flujo de aire dentro de los edificios para protegerse contra el COVID-19. Pero en áreas al aire libre y semi-aire libre como estaciones de transporte público, estadios y otros espacios abiertos, existe un límite en la cantidad de ventilación que se puede controlar solo con medios mecánicos. También es esencial examinar el flujo de aire natural.
Airflow Analyst, un complemento de ArcGIS Pro, utiliza modelos urbanos en 3D junto con datos meteorológicos para examinar las condiciones del viento y predecir el rendimiento de la ventilación de los espacios exteriores y semi exteriores. En el pasado, este tipo de simulación fluida requería enormes recursos informáticos. Pero ahora se puede hacer en computadoras personales de uso general utilizando GIS, lo que significa que esta tecnología es más accesible que nunca y puede ayudar a los administradores de las instalaciones a planificar la ventilación de manera efectiva.
Las metodologías complejas para medir la ventilación son ahora más fáciles de emplear
El uso de simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) es esencial para evaluar el rendimiento de la ventilación en espacios exteriores y semi exteriores. El viento que atraviesa un estadio, por ejemplo, es turbulento y más complejo de lo que los humanos pueden imaginar. CFD puede predecir flujos de aire complicados en lugares como ese resolviendo las ecuaciones que gobiernan el movimiento de los fluidos.
Para la mayoría de los planificadores urbanos, las simulaciones CFD son demasiado complicadas y requieren mucho tiempo para ponerlas en práctica. Ahí es donde entra en juego Airflow Analyst. Es el primer software CFD que se ejecuta en ArcGIS Pro y utiliza datos de terreno y edificios organizados en GIS para predecir una variedad de fenómenos relacionados con el viento, incluido el rendimiento de la ventilación.
Airflow Analyst permite a los usuarios aplicar datos GIS comúnmente disponibles, incluidos modelos urbanos 3D, topografía y datos de modelado de información de construcción (BIM), al análisis del viento. El algoritmo de cálculo está configurado específicamente para realizar análisis de flujo de aire exterior, por lo que los usuarios sin ningún conocimiento técnico de cómo funciona CFD pueden armar una simulación. El software realiza todas las operaciones necesarias para un ejercicio de simulación de viento, desde configurar los cálculos hasta visualizar los resultados en un mapa. Por lo tanto, los usuarios familiarizados con la tecnología ArcGIS pueden aprender a realizar una simulación de viento en poco tiempo.
El modelo de turbulencia que aplica Airflow Analyst se denomina Large Eddy Simulation (LES), y su precisión para predecir el flujo de aire se ha verificado mediante experimentos en el túnel de viento. Si bien LES generalmente requiere mucho tiempo y potencia computacional, Airflow Analyst usa unidades de procesamiento central (CPU) multinúcleo o unidades de procesamiento de gráficos (GPU) para producir resultados en una cantidad de tiempo razonable (varias horas) en computadoras personales. Esto abre este tipo de análisis importante a una gran cantidad de nuevos usuarios que necesitan hacer cosas como planificar el tráfico de personas en espacios públicos, visualizar fuertes vientos urbanos o predecir el alcance de la difusión de gases tóxicos debido a posibles accidentes químicos.
Un estudio de caso para medir y predecir la ventilación
Al cierre de esta edición, los Juegos Olímpicos de 2020 en Tokio, Japón, que se pospusieron hasta 2021, serán el primer evento internacional importante que se llevará a cabo desde el brote de COVID-19. La sede principal, el nuevo Estadio Nacional de Japón, tiene buena ventilación, gracias a un espacio entre las gradas y el techo que atrae el flujo de aire al estadio desde el exterior. Los arquitectos que diseñaron el estadio introdujeron esta característica para mitigar el ambiente térmico húmedo y caluroso del verano. Pero, ¿es suficiente para prevenir la propagación de COVID-19?
Para explorar esto, usamos Airflow Analyst para simular las condiciones del viento dentro del estadio para que pudiéramos ver cuánta ventilación obtendría del viento natural que fluye a través de Tokio. Utilizando AW3D, datos de mapas 3D disponibles comercialmente, reproducimos los edificios y árboles en toda la ciudad. Para replicar la forma compleja del Estadio Nacional, creamos un modelo CAD en 3D basado en dibujos del estadio y lo convertimos en una función multiparche en ArcGIS Pro.
A continuación, establecimos un área de cálculo de aproximadamente 1,3 kilómetros cuadrados centrada en el estadio. Luego, configuramos el espacio de la cuadrícula alrededor del estadio dentro de 1 metro para reproducir la forma de la estructura con aún más detalle. El número total de puntos de la cuadrícula computacional fue de aproximadamente 11,1 millones, lo que hace que esta sea una simulación de viento a relativamente gran escala.
Pudimos simular y visualizar el viento que entra y sale del estadio a través de sus aleros y agujeros en el techo. Resulta que el viento toma un camino enredado por el interior del estadio. Para asegurarnos de que estábamos capturando datos sobre cómo los aerosoles, como los que emanan de la boca de las personas, llenan el espacio, se esparcen y luego desaparecen, colocamos un gas trazador virtual dentro del modelo del estadio para observar su concentración a lo largo del tiempo.
Esta simulación reveló que todo el aire dentro del estadio se reemplaza en aproximadamente 13 minutos cuando un viento del norte con una velocidad promedio anual de 3 metros por segundo, que es común en Tokio, sopla fuera del estadio. Esto significa que el estadio recibe aire nuevo aproximadamente 4,6 veces por hora. Por lo tanto, la estructura se beneficia de una cantidad decente de ventilación que se produce de forma natural. Por supuesto, si esta cantidad de ventilación es suficiente para prevenir la propagación de COVID-19 debe evaluarse en función de la cantidad de personas y los tipos de actividades que se realizan en el estadio.
Este estudio de caso se basa únicamente en un viento del norte, pero la dirección y la velocidad del viento cambian constantemente a lo largo del día. Por lo tanto, los resultados para una sola dirección del viento no son adecuados para evaluar la ventilación natural completa del Estadio Nacional. Para obtener una imagen más completa de sus capacidades de ventilación e incluso estimar las condiciones de ventilación natural en tiempo real, sería útil combinar los resultados de las simulaciones realizadas para 16 direcciones de viento con datos de observación del viento en tiempo real o datos de pronóstico del tiempo. Esta información ayudaría a los administradores de las instalaciones a elaborar un plan integral para garantizar una ventilación adecuada en el Estadio Nacional durante los Juegos Olímpicos y para cualquier otro evento que se lleve a cabo allí.
Nuevas formas de crear seguridad y comodidad en espacios urbanos
En ciudades de todo el mundo, los mapas digitales 3D detallados están produciendo gemelos digitales de áreas urbanas que pueden ayudar enormemente con la planificación de la ciudad y los eventos, especialmente a medida que las comunidades comienzan a emerger de la pandemia de COVID-19 y entran en una nueva normalidad. Además, la integración de la infraestructura geoespacial con los sensores de Internet de las cosas (IoT), que miden todo, desde la temperatura hasta la velocidad del viento, puede fomentar una comprensión más profunda y una mejor gestión de los entornos construidos.
Al combinar datos urbanos con tecnología de simulación de viento específicamente, los planificadores urbanos pueden ayudar a crear seguridad y comodidad en áreas densamente pobladas de múltiples formas, incluidas las siguientes:
- Llevar aire fresco a una ciudad para reducir las islas de calor
- Facilitar la experiencia de los peatones al analizar cómo los fuertes vientos azotan los edificios de gran altura.
- Evaluar las cargas de viento que las estructuras pueden soportar durante tormentas fuertes.
- Introducción de una ventilación natural eficiente dentro y alrededor de los edificios
En esta transformación digital que se está moviendo por el mundo, poder descifrar el entorno eólico en diversas áreas brindará valiosas soluciones para la planificación urbana.
Una versión de prueba de Airflow Analyst está disponible en ArcGIS Marketplace . Ve a probarla.
Sobre los autores
Ryo Araya
Ryo Araya es el presidente de Environmental GIS Laboratory Co., socio de Esri, una empresa de consultoría y desarrollo de software con sede en la ciudad de Fukuoka, Japón.
Takanori Uchida
Takanori Uchida es profesor asociado en el Instituto de Investigación de Mecánica Aplicada de la Universidad de Kyushu de Japón.