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A digital urban twin enabling interactive pollution predictions and enhanced planning

Teutscher, Dennis 1; Bukreev, Fedor ORCID iD icon 1; Kummerländer, Adrian ORCID iD icon 2; Simonis, Stephan ORCID iD icon 2; Bächler, Peter ORCID iD icon 1; Rezaee, Ashkan; Hermansdorfer, Mariusz; Krause, Mathias J. 1,2
1 Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (MVM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
2 Institut für Angewandte und Numerische Mathematik (IANM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Abstract:

Digital twin (DT) technology is increasingly used in urban planning, leveraging real-time data integration for environmental monitoring. This paper presents an urban-focused DT that combines computational fluid dynamics simulations with live meteorological data to analyze pollution dispersion. Addressing the health impacts of pollutants like particulate matter and nitrogen dioxide, the DT provides real-time updates on air quality, wind speed, and direction. Using OpenStreetMap’s XML-based data, the model distinguishes between porous elements like trees and solid structures, enhancing urban flow analysis. The framework employs the lattice Boltzmann method (LBM) within the open-source software OpenLB to simulate pollution transport. Nitrogen dioxide and particulate matter concentrations are estimated based on traffic and building emissions, enabling hot-spot identification. The DT was used from November 7 to 23, 2024, with hourly updates, capturing pollution trends influenced by wind patterns. Results show that alternating east–west winds during this period create a dynamic pollution distribution, identifying critical residential exposure areas. ... mehr


Verlagsausgabe §
DOI: 10.5445/IR/1000182980
Veröffentlicht am 10.07.2025
Originalveröffentlichung
DOI: 10.1016/j.buildenv.2025.113093
Scopus
Zitationen: 4
Web of Science
Zitationen: 3
Dimensions
Zitationen: 7
Cover der Publikation
Zugehörige Institution(en) am KIT Institut für Angewandte und Numerische Mathematik (IANM)
Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (MVM)
Publikationstyp Zeitschriftenaufsatz
Publikationsmonat/-jahr 08.2025
Sprache Englisch
Identifikator ISSN: 0360-1323, 1873-684X
KITopen-ID: 1000182980
Erschienen in Building and Environment
Verlag Elsevier
Band 281
Seiten 113093
Schlagwörter Digital twin; Computational fluid dynamics; Lattice; Boltzmann method; Urban; Pollution; Particulate matter; Porous media; OpenStreetMap
Nachgewiesen in Web of Science
OpenAlex
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Dimensions
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