Uživatelský příběh

Následující příklad popisuje experimenty v aerodynamickém tunelu provedené Environmental Wind Tunnel Laboratory (EWTL) na Univerzitě v Hamburku [1] jako validační případ v části 9.4 WTG-Merkblatt M3. Budeme používat naměřená pole rychlosti a údaje o drsnosti 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, když jsou plánována pozdější vyšetření s vyšší přesností (např. zkoumání v aerodynamickém tunelu třídy G3).
• R2: Solitéry: všechny relevantní směry větru s dostatečně jemným směrným rozlišením.
• Z2: Statistické průměry a standardní odchylky: za předpokladu, že zahrnují stálé toky procesů, pro které je dostatečná statistická verifikace fluktuací s vrcholovým faktorem.
• S1: Statické účinky: Jsou dostatečné k reprezentaci strukturálního modelu s potřebnými mechanickými detaily, ale bez hmotnostních a tlumicích vlastností.

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

Výzkum se zaměřuje na idealizovaný, ale geometricky podrobný městský model umístěný v proudění atmosférické mezní vrstvy. Měření v aerodynamickém tunelu byla provedena ve zařízení WOTAN, které se vyznačuje testovací sekcí dlouhou 18 m, širokou 4 m a vysokou 2,75-3,25 m. Příslušné pole drsnosti bylo charakterizováno délkou drsnosti z₀=1,53 m a profilem exponentu α=0,27, což představuje "velmi hrubé" podmínky terénu. Celkem bylo zaznamenáno 1 838 měřicích bodů pro několik konfigurací střech. Časově závislé horizontální složky rychlosti u a v, včetně středních hodnot, variací, korelací a spekter, byly získány pomocí 2D Laser-Doppler anemometru (LDA) při 500-600 Hz. Měřicí body byly rozloženy ve vertikálních a horizontálních profilech, v ulicích a na definovaných místech pro opakovatelnost. Datová sada města Michel slouží jako referenční validační případ (C5) podle pokynu VDI 3783 část 9 [2]. Pro validaci se kromě hit ratio použije relativní odchylka D=0,25 a absolutní odchylka W=0,08, aby bylo zohledněno opakovatelnost a nejistota měření. Tato datová sada byla ověřena a přijata několika institucemi (např. KalWin [3]) pro účely validace CFD a srovnání modelů.

3 Nastavení modelu RWIND pro prvky drsnosti městské zástavby „Michel City“ pro simulaci pomocí CFD v aerodynamickém tunelu

Požadavek na přesnost WTG-Merkblatt M3

WTG-Merkblatt M3 poskytuje dvě klíčové metody pro validaci výsledků simulace. Metoda Hit Rate hodnotí, kolik simulovaných hodnot P_i správně odpovídá referenčním hodnotám O_i v rámci definované tolerance, za použití binárního přístupu (zásah nebo ztráta). Tento přístup hodnotí spolehlivost simulace výpočtem hit rate q, podobně jako funkce důvěry používané v teorii spolehlivosti. Naproti tomu metoda Normalizovaná střední kvadratická chyba (e²) nabízí podrobnější hodnocení přesnosti kvantifikací průměrné kvadratické odchylky mezi simulovanými a referenčními hodnotami, normalizovanou pro zohlednění rozdílů měřítek. Společně tyto metody poskytují jak kvalitativní, tak kvantitativní měření 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

Porovnání normalizovaných hodnot rychlosti (U/U_ref) získaných ze simulací RWIND a experimentálních měření ukazuje střední úroveň shody napříč zkoumanou datovou sadou. Celkem bylo analyzováno 43 validačních bodů, u kterých se hodnoty odchylek pohybují od přibližně 2% do téměř 50%, což naznačuje, že i když simulace zachycuje celkovou velikost a trend pole rychlosti, zůstávají ve vybraných oblastech významné místní rozdíly. Analýza hit rate dále zdůrazňuje toto chování: pouze 18,60% datových bodů spadá do přísné tolerance ±10%, což se zvyšuje na 37,21%, když je tolerance uvolněna na ±20%. Normalizovaná střední chyba 𝑒²=0,2498 potvrzuje střední celkovou odchylku mezi předpovězenými a naměřenými hodnotami.

Prostorově jsou nižší odchylky pozorovány v oblastech, které jsou pravděpodobně charakterizovány stabilnějšími nebo připojenými proudovými podmínkami, zatímco větší nesrovnalosti se vyskytují tam, kde se očekává silnější gradienty nebo složité proudové jevy, jako jsou oblasti odtržení nebo zóny vírů. Tyto rozdíly mohou být připsány omezením inherentním v modelech turbulence RANS, předpokladům funkce stěny, efektům rozlišení sítě nebo citlivosti na podmínky na vstupu. Přes tato omezení simulace prokazují dostatečný výkon pro analýzu na úrovni inženýrství a predikci trendů. Nicméně pro aplikace vyžadující vyšší místní přesnost může být nutné další zlepšení modelování turbulence, rozlišení sítě nebo definice podmínek na rozhraní.

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

X	Y	Z	U/Uref – RWIND	U/Uref – Experimentální	Odchylka (%)
-67.25	-41.76	2	0.113	0.0942	16.64
-70.41	-27.84	2	0.120	0.0787	34.42
-73.58	-13.92	2	0.096	0.0693	27.81
-76.75	0	2	0.098	0.0959	2.14
-63.23	0	2	0.144	0.1305	9.38
-61.71	-12	2	0.134	0.1285	4.10
-59.44	-21.99	2	0.113	0.1399	23.81
-57.17	-31.98	2	0.124	0.1385	11.69
-56.89	-44.45	2	0.158	0.1186	24.94
-46.54	-47.15	2	0.149	0.1393	6.51
-48.19	-23.16	2	0.117	0.156	33.33
-48.19	-12	2	0.105	0.154	46.67
-49.71	0	2	0.177	0.1347	23.90
-36.19	0	2	0.117	0.1547	32.22
-36.19	-16.61	2	0.210	0.1633	22.24
31.81	127.75	2	0.091	0.086	5.49
58.81	119.75	2	0.096	0.093	3.13
72.31	127.75	2	0.065	0.0558	14.15
72.31	115.54	2	0.082	0.0423	48.41
85.81	118.91	2	0.149	0.0748	49.80
85.81	127.75	2	0.192	0.0978	49.06
-149.89	-124.58	2	0.103	0.1115	8.25
-156.52	-106.63	2	0.632	0.4036	36.15
-142.43	-99.38	2	0.658	0.334	49.24
-141.58	-112.44	2	0.476	0.4192	11.93
-130.02	-143.76	2	0.117	0.1723	47.26
-119.53	-120.2	2	0.313	0.384	22.68
-127.31	-105.09	2	0.634	0.3833	39.54
-114.27	-84.87	2	0.119	0.0894	24.87
-105.26	-112.85	2	0.466	0.3084	33.82
-100.19	-77.62	2	0.174	0.1187	31.78
-36.27	-94.25	2	0.483	0.2455	49.17
-35.24	-109.91	2	0.249	0.2782	11.73
-48.97	-103.35	2	0.366	0.2337	36.15
-55.52	-120.02	2	0.220	0.284	29.09
-69.23	-113.45	2	0.265	0.2553	3.66
-103.49	-58.25	2	0.270	0.1459	45.96
-118.54	21.4	2	0.024	0.0224	6.67
-121.46	20.73	2	0.062	0.0361	41.77
-120.54	30.17	2	0.117	0.0952	18.63
-117.61	30.84	2	0.139	0.0896	35.53
-122.53	38.95	2	0.170	0.0907	46.65
-125.45	38.28	2	0.158	0.1128	28.61

Tabulka 2: Validační metriky pro porovnání normalizované rychlosti (U/U_ref)

Metrika	Hodnota
Celkový počet datových bodů (N)	43
Hit Rate q (tolerance 10%)	18,60%
Hit Rate q (tolerance 20%)	37,21%
Forma odchylky střední chyby (e²)	0,2498

89x

13x

Michel City – Příklad WTG 9.4