Uživatelský příběh

Následující příklad popisuje experimenty v aerodynamickém tunelu provedené laboratoří Environmental Wind Tunnel Laboratory (EWTL) na univerzitě v Hamburku [1] jako validační případ v části 9.4 WTG-Merkblatt M3. Použijeme naměřená pole rychlosti a data hrubosti modelu Michel City (Případ BL3-3) k validaci numerických CFD simulací v komplexních městských strukturách. Příklad může patřit do Skupiny 2, podle Obrázek 2.2 ve 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 plánována pozdější zkoumání s vyšší přesností (např. zkoumání v aerodynamickém tunelu třídy G3).
• R2: Solitéra: všechny relevantní směry větru s dostatečně jemným směrovým rozlišením.
• Z2: Statistické průměrné hodnoty a standardní odchylky: za předpokladu, že zahrnují stacionární proudové procesy, pro které stačí statistické ověření výkyvů pomocí faktoru špičky.
• S1: Statické účinky: Jsou dostatečné k reprezentaci konstrukčního modelu s potřebným mechanickým detailem, ale bez vlastností hmoty a tlumení.

1 Prvky drsnosti na modelu větrného tunelu „Michel City“ pro simulaci proudění blízko země

2 Prvky drsnosti ve větrném tunelu pro zobrazení městské oblasti (Příklad WTG 9.4)

Popis

Vyšetřování se soustředí na idealizovaný, ale geometricky detailní městský model umístěný v proudění atmosférické mezní vrstvy. Měření v aerodynamickém tunelu byla provedena v zařízení WOTAN, které zahrnuje zkušební sekci délky 18 m, šířky 4 m a výšky 2.75-3.25 m. Příslušné pole hrubosti bylo charakterizováno délkou hrubosti z₀=1.53 m a profilem exponentu α=0.27, což představuje podmínky "velmi hrubého" terénu. Celkem bylo zaznamenáno 1,838 měřících bodů pro několik konfigurací střech. Časově závislé horizontální komponenty rychlosti u a v, včetně středních hodnot, variancí, korelací a spekter, byly získány pomocí 2D Laser-Dopplerova anemometru (LDA) při 500-600 Hz. Měřící body byly rozloženy ve vertikálních a horizontálních profilech, v uličních soutěskách 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 hodnoty úspěšnosti aplikuje relativní odchylka D=0.25 a absolutní odchylka W=0.08 k zohlednění opakovatelnosti a nejistoty měření. Tento datový soubor byl ověřen a přijat několika institucemi (např. KalWin [3]) pro účely validace CFD a srovnání modelů.

3 Nastavení modelu RWIND „Michel City“ prvků drsnosti pro CFD simulaci v aerodynamickém tunelu

Požadavek na přesnost WTG-Merkblatt M3

WTG-Merkblatt M3 poskytuje dvě klíčové metody pro validaci výsledků simulace. Metoda Úspěšnosti hodnotí, kolik simulovaných hodnot P_i správně odpovídá referenčním hodnotám O_i v rámci definované tolerance, pomocí binární klasifikační metody (úspěch nebo neúspěch). Tento přístup posuzuje spolehlivost simulace výpočtem úspěšnosti q, podobně jako důvěryhodnostní funkce používané v teorii spolehlivosti. Naproti tomu metoda Normalizované střední kvadratické chyby (e²) nabízí podrobnější hodnocení přesnosti kvantifikací průměrné kvadratické odchylky mezi simulovanými a referenčními hodnotami, normalizované pro zohlednění rozdílů v měřítku. Tyto metody společně poskytují jak kvalitativní, tak kvantitativní opatření pro validaci simulací.

• 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

[1] VDI Richtlinie 3783 Blatt 9: Umweltmeteorologie - Prognostische mikroskalige Windfeldmodelle - Evaluierung pro obtékání budov a překážek, 2017

[2] KalWin, “Validace předpovědi proudového pole v realistickém, ale idealizovaném městském prostředí s OpenFOAM”, Zpráva KalWin Engineering GbR, 2022, http://www.kalwin-engineering.com/wp-content/uploads/2022/10/KalWin-Report-ValidationOkt2022.pdf