Global befolkning och urbanisering har blomstrat under de senaste decennierna. Med dem kom massor av nya höga byggnader, drönare, mer energieffektiva ventilationssystem, och planerade flygtaxi från Uber och andra företag. Men dessa tekniska framsteg måste kämpa med ett naturligt fysiskt fenomen:vind.

Forskare presenterade de senaste fynden om modellering och förutsägelse av luftflöde i städerna - i hopp om att bygga bättre byggnader, städer, och transport – vid det 73:e årsmötet för American Physical Society's Division of Fluid Dynamics.

Framtidens urbana himmel kan vimla ​​av autonoma flygplan:flygtaxi, drönare, och andra självflygande system. Ett team från Oklahoma State University har utvecklat tekniker för att modellera miljöfaror som dessa fordon kan stöta på så att de säkert kan navigera i städer.

"Stadsmiljöer utgör enorma utmaningar för drönare och urbana luftmobilitetsplattformar, " sa forskaren Jamey Jacob, som ledde laget. "Förutom utmaningarna med trafikstockningar och hinder, kritiska teknikluckor finns i modellering, upptäcka, och tillgodose de dynamiska urbana lokala vindfälten såväl som i precisionsnavigering genom osäkra väderförhållanden."

Forskare kopplade sensorer till robotflygplan för att ta mer sammanhängande mätningar av byggnadsvågor, eller det störda luftflödet runt byggnader. De kombinerade dessa data med numeriska förutsägelser för att få en bättre bild av de komplexa vindmönstren som finns i stadsmiljöer.

Arbetet kan bidra till att förbättra vind- och väderprognoserna, inte bara för obemannade flygplan utan även för konventionella flygplan.

"Potentialen med att utrusta varje drönare och stadsflygtaxi, liksom andra flygplan, med sensorer ger en spelförändrande möjlighet i vår förmåga att övervaka, förutspå, och rapportera farliga väderhändelser, sa Jakob.

En annan grupp, baserat vid University of Surrey undersökte också byggnadsvakenheter. Med sikte på att förbättra luftkvaliteten i städer, de letade efter skillnader mellan en enda hög byggnad och ett kluster av höga byggnader.

"Att förstå hur man modellerar kölvattnet av höga byggnader är det första steget för att göra det möjligt för stadsplanerare att minska värmeöeffekten samt förbättra stadsluftkvaliteten, " sa Joshua Anthony Minien, en forskare inom maskinteknik.

Teamet utförde experiment i en vindtunnel, variera grupperingen, bildförhållande, och avstånd mellan höga byggnader. De uppmuntrades att se att när de mättes tillräckligt långt nedströms, ett kluster av byggnader och en isolerad byggnad har liknande kännetecken. Förändringar i vindriktningen verkar också påtagligt påverka väckningarna av byggnader.

Alla byggnader, lång eller inte, måste ventileras.

"Möjligheten att förutsäga ventilationsflödeshastigheter, rensningstider och flödesmönster är viktigt för människors komfort och hälsa, som framhållits av behovet av att förhindra luftburen spridning av coronavirus, " sa University of Cambridge-forskaren Nicholas Wise.

Med ingenjörsprofessorn Gary Hunt, Wise fann ett problem i nuvarande modeller av passiva naturliga ventilationssystem. Dessa använder ofta förskjutningsflöde - där kallare nattluft kommer in i en byggnad genom en öppning och varmare luft ackumuleras under dagen går ut genom en annan öppning.

Deras matematiska modellering avslöjade att förskjutningsflödet inte fortsätter under utrensningen av varm luft, som man trodde. Istället, rummet upplever ett "obalanserat utbytesflöde" som kan sakta ner reningsprocessen.

"Varje förskjutningsflöde övergår till obalanserat utbytesflöde, sa Wise.

Forskarna var förvånade över hur mycket tillsatsen av en liten lågnivåöppning påskyndar rumskylningen, jämfört med ett rum med endast en hög öppning. Deras modell kommer att vara användbar för designers av naturliga ventilationssystem.