Urban densification increases aerodynamic resistance to incoming rural winds and suppresses channeling flow within street networks. The resulting weakening of advective ventilation raises concerns about pollutant removal across the roof level between the urban canopy layer and the overlying atmosphere. This study investigates how urban morphology influences total aerodynamic resistance and the mechanisms governing roof-level air exchange through windtunnel experiments and computational fluid dynamics (CFD) simulations. Idealized models were adopted to enable generalizable insights.

An idealized urban neighborhood with discretely arranged building blocks was first examined. Based on total drag force (Fd), the highest aerodynamic resistance occurred at moderate plan area density (λp ~0.25), while spanwise repeated arrays exhibited decreasing Fd with increasing λp over 0.11–0.56. At fixed λp, layouts, allowing more direct flow impingement on windward façades produced larger Fd. Poorly ventilated hotspots were mainly associated with recirculation in building near wakes, typical of wake-interference and isolated roughness regimes. Increased geometric contrast between adjacent buildings enhanced vertical transport across the canopy–roof interface, although local ventilation remained spatially heterogeneous.

A worst-case scenario without channeling flow was analyzed using quasi two-dimensional street canyons and isolated semi-enclosed cavities, with emphasis on fluctuating components of ventilation. Under skimming flow, air exchange was dominated by a mixing layer across the opening, yielding nondimensional ventilation rates (Q*) of 0.02–0.03. Vertically stacked multi-vortex structures inhibited internal mixing and significantly reduced ventilation efficiency, whereas geometry-induced flow perturbations generally enhanced roof-level exchange.

Three rooftop flow regimes were identified: recirculation zone, flow attachment, and conical vortex. When recirculation dominates, ventilation resembles shear-driven lateral exchange. Whether direct mean-flow advection occurs depends on the opening’s position relative to the flow reattachment point. Under oblique inflow, conical vortices over a rectangular prism markedly increased ventilation through strong suction and elevated turbulence. Turbulence intensity in the approaching flow further modified separation behavior and ventilation efficiency.

Overall, the study demonstrates that building-induced turbulence plays a central role in roof-level ventilation and that idealized models provide generalizable insights into how urban morphology governs air exchange in dense urban environments.

Urban förtätning ökar det aerodynamiska motståndet mot inkommande vindar och dämpar kanaliserat flöde i gatunätet. Den försvagade advektiva ventilationen försvagar borttransport av föroreningar vid taknivå, mellan den urbana canopy-nivån och den överliggande atmosfären. Denna studie undersöker hur urban utformning påverkar det totala aerodynamiska motståndet och de mekanismer som styr luftutbytet vid taknivå genom vindtunnelexperiment och simuleringar med Computational Fluid Dynamics (CFD). Idealiserade modeller användes för att möjliggöra generaliserbara insikter.

Ett idealiserat urbant kvarter med diskret arrangerade byggnadsblock analyserades först. Baserat på den totala dragkraften (Fd) uppnåddes högst aerodynamiskt motstånd vid en måttlig bebyggelsegrad (λp ~0.25), medan spannvisu pprepade byggnadsmatriser uppvisade avtagande Fd med ökande λp inom intervallet 0,11–0,56. Vid fast λp gav utformningar som tillät mer direkt flödesimpingementmot lovartsfasader större Fd. Otillräckligt ventilerade zoner var främst kopplade till recirkulation i byggnaders närliggande läområden, typiska för wake-interference- och isolated-roughness-regimer. Ökad geometrisk kontrast mellan intilliggande byggnader förstärkte den vertikala transporten över gränsytan vid taknivå mellan bebyggelsen och den överliggande atmosfären, även om ventilationen var rumsligt heterogen.

Ett värstafallsscenario utan kanaliserat flöde analyserades med kvasi-tvådimensionella gatukanjoner och isolerade semi-inneslutna kaviteter, med fokuspå de fluktuerande komponenternas roll i ventilationen. Under skimming flow dominerades luftutbytet av ett blandningsskikt över öppningen, med dimensionslösa ventilationsgrader (Q*) på 0,02–0,03. Vertikalt staplade multivirvelstrukturer hämmade den interna blandningen och reducerade ventilationseffektiviteten avsevärt, medan geometriskt inducerade flödesstörningar generellt förbättrade luftutbytet vid taknivå.

Tre dominerande takflödesregimer identifierades: recirkulationszon, flödesanliggning och konisk virvel. När recirkulation dominerar liknar ventilationen skjuvinducerad lateral luftväxling. Om direkt advektion med medelflödet uppstår beror på öppningens position i förhållande till återanliggningspunkten.Vid sned inflödesriktning ökade koniska virvlar över en rektangulär prismamodell ventilationen markant genom starkt sug och förhöjd turbulens. Turbulensnivån i det inkommande flödet påverkade dessutom flödesseparationen och därmed ventilationseffektiviteten.

Sammanfattningsvis visar studien att byggnadsinducerad turbulens spelar en central roll för ventilation vid taknivå och att idealiserade modeller kan ge generaliserbara insikter om hur urban morfologi styr luftutbytet i täta urbana miljöer.