H.1.7. Údaje měření pro více konstrukcí (příklad WTG 9.4)

Příběh uživatele

Následující příklad popisuje experimenty ve větrném tunelu provedené Laboratoří pro aerodynamické testy v prostředí (EWTL) na Univerzitě v Hamburku [1] jako validační případ v části 9.4 WTG-Merkblatt M3. K ověření numerických CFD simulací v komplexní městské zástavbě použijeme naměřená pole rychlostí modelu Michel City (případ BL3-3). Tento příklad lze zařadit do „skupiny 1“ podle Obrázek 2.2 v WTG-Merkblatt-M3 na základě zkoumání průměrné hodnoty rychlosti větru:

• G2: Absolutní hodnoty se středními požadavky na přesnost: Oblast použití může zahrnovat parametry nebo předběžné studie, pokud jsou plánovány pozdější studie s vyšší přesností (např. analýza ve větrném tunelu třídy G3).
• R2: Samostatné: Všechny relevantní směry větru s dostatečně jemným rozlišením směru.
• Z2: Statistické střední hodnoty a směrodatné odchylky: Za předpokladu, že se jedná o stacionární procesy proudění, pro které je dostatečné statistické ověření kolísání s faktorem maximálního výstupu.
• S1: Statické účinky: Jsou dostatečné k reprezentaci statického modelu s nezbytnými mechanickými detaily, ale bez hmotnostních a tlumicích vlastností.

1 Prvky drsnosti modelu větrného tunelu „Michel City“ pro simulaci proudění v blízkosti terénu

2 Prvky drsnosti větrného tunelu pro znázornění městského povrchu (příklad WTG 9.4)

Popis

Výzkum se zaměřuje na idealizovaný, ale geometricky detailní model města umístěný v proudění mezní vrstvy. Měření ve větrném tunelu byla prováděna v zařízení WOTAN, které disponuje testovací sekcí o délce 18 m, šířce 4 m a výšce 2,75–3,25 m. Odpovídající pole drsnosti bylo charakterizováno délkou drsnosti z₀=1,53 m a profilovým exponentem α=0,27, což představuje „velmi drsné“ terénní podmínky. Celkem bylo zaznamenáno 1 838 měřicích bodů pro několik konfigurací střech. Časově závislé horizontální složky rychlosti u a v, včetně středních hodnot, rozptylů, korelací a spekter, byly získány pomocí 2D laserového Dopplerova anemometru (LDA) při frekvenci 500–600 Hz. Měřicí body byly rozmístěny ve vertikálních a horizontálních profilech, v ulicích a na definovaných místech opakovatelnosti. Datový soubor Michel City slouží jako referenční validační případ (C5) podle směrnice VDI 3783 část 9 [2]. Pro validaci se kromě poměru zásahů používá také relativní odchylka D=0,25 a absolutní odchylka W=0,08, aby se zohlednila opakovatelnost a nejistota měření. Tento datový soubor byl ověřen a přijat několika institucemi (např. KalWin [3]) pro účely validace CFD a porovnání modelů.

3 Modelování prvků drsnosti povrchu města „Michel City“ pro CFD simulace ve větrném tunelu v programu RWIND

Požadavek na přesnost WTG-Merkblatt M3

WTG-Merkblatt M3 uvádí dvě klíčové metody pro ověřování výsledků simulace. Metoda „hit rate“ vyhodnocuje, kolik simulovaných hodnot P_i správně odpovídá referenčním hodnotám O_i v rámci definované tolerance, a to pomocí binární klasifikace (hit nebo miss). Tento přístup posuzuje spolehlivost simulace výpočtem míry úspěšnosti q, podobně jako funkce spolehlivosti používané v teorii spolehlivosti. Naopak metoda „normalizované střední kvadratické chyby“ (e²) nabízí podrobnější hodnocení přesnosti kvantifikací průměrné kvadratické odchylky mezi simulovanými a referenčními hodnotami, normalizované tak, aby zohledňovala rozdíly ve stupnici. Společně tyto metody představují jak kvalitativní, tak kvantitativní měřítka pro ověření simulace.

• Validace výsledků simulace pomocí metody hit rate popsané v dokumentu WTG-Merkblatt M3

• Vyhodnocení přesnosti výsledků pomocí normalizované střední kvadratické chyby definované ve WTG-Merkblatt M3

Výsledky a diskuse

Porovnání normalizovaných hodnot rychlosti (U/U_ref) získaných ze simulací RWIND a experimentálních měření ukazuje mírnou shodu v rámci zkoumaného souboru dat. Bylo analyzováno celkem 43 validačních bodů, u nichž se hodnoty odchylky pohybují od přibližně 2 % do téměř 50 %, což naznačuje, že simulace sice zachycuje celkovou velikost a trend pole rychlostí, ale v určitých oblastech zůstávají významné lokální rozdíly. Analýza úspěšnosti dále zdůrazňuje toto chování: pouze 18,60 % datových bodů spadá do přísné tolerance ±10 %, přičemž tento podíl se zvyšuje na 37,21 %, pokud je tolerance uvolněna na ±20 %. Normalizovaná střední hodnota chyby 𝑒²=0,2498 potvrzuje mírnou celkovou odchylku mezi předpovězenými a naměřenými hodnotami.

Prostorově jsou nižší odchylky pozorovány v oblastech, které se pravděpodobně vyznačují stabilnějšími nebo připojenými proudovými podmínkami, zatímco větší rozdíly se vyskytují tam, kde se očekávají silnější gradienty nebo komplexní proudové jevy, jako jsou separační zóny nebo oblasti v úplavu. Tyto rozdíly lze připsat omezením typickým pro modelování turbulence RANS, předpokladům stěnových funkcí, vlivům rozlišení sítě nebo citlivosti na podmínky proudění. Navzdory těmto omezením simulace prokazuje adekvátní výkon pro analýzu na inženýrské úrovni a předpověď tendencí. Pro použití, které vyžaduje vyšší lokální přesnost, však může být nutné další zahuštění sítě, zdokonalení modelu turbulence nebo definice okrajových podmínek.

Tabulka 1: Porovnání normalizované rychlosti (U/U_ref) mezi RWIND a experimentálními daty

Tabulka 2: Metriky ověření pro srovnání normalizované rychlosti (U/U_ref)

107x

15x

Michel City – Příklad WTG 9.4