Beschreibung
Dieser Verifizierungsfall, basierend auf dem Dokument des deutschen WTG: Merkblatt des Fachausschusses 3 - Numerische Simulation von Windströmungen, Kapitel 9.2 und vergleicht Berechnungen der numerischen Strömungsmechanik von Winddruckkoeffizienten mit experimentellen Daten aus der aerodynamischen Datenbank der Tokyo Polytechnic University (TPU). Die Analyse konzentriert sich auf ein Hochbaumodell (Verhältnis 2:1:5). Die strikt validierten Grenzschicht-Windkanaldaten der TPU, die über ihr Windtechnikportal öffentlich abrufbar sind, bieten Benchmark-Metriken zur Bewertung der Genauigkeit der Turbulenzmodellierung und deren Auswirkungen auf die Netzempfindlichkeit. Zu den wichtigsten Vergleichsparametern zählen die Mittelwerte der Druckkoeffizienten in kritischen Gebäudezonen (Luvseite, Seitenwände und Leebereiche).
| Strömungseigenschaften | Kinematische Viskosität | ν | 1.500e-5 | m2/s |
| Dichte | ρ | 1.250 | kg/m3 | |
| Windkanal | Länge | Dx | 2720.000 | m |
| Breite | Dy | 900.000 | m | |
| Höhe | Dz | 720.000 | m | |
| Gebäude | Breite | B | 80.000 | m |
| Tiefe | D | 40.000 | m | |
| Höhe | H | 200.000 | m | |
| Berechnungsparameter | Referenzgeschwindigkeit | uref | 22.000 | m/s |
| Referenzhöhe | zref | 10.000 | m | |
| von Kármán-Konstante | κ | 0.410 | ||
| Turbulenz-Viskosität-Konstante | Cμ | 0.090 | ||
| Rauigkeitslänge der aerodynamischen Fläche | z0 | 1.000 | m |
Analytische Lösung
Eine analytische Lösung ist nicht verfügbar. Das Beispiel bietet jedoch einen Vergleich zwischen CFD-Simulationsergebnissen von RWIND und experimentellen Daten (aerodynamische Datenbank von TPU).
Das Windgeschwindigkeitsprofil wird aus dem Potenzgesetz gemäß folgender Formel berechnet:
wobei der Profil-Exponent α wird definiert als
Die Turbulenzintensität wird gemäß der folgenden Grafik aus der TPU Aerodynamic Database für α=0.25 entnommen.
RWIND Simulationseinstellungen
- Modelliert in RWIND 3.04
- Simulationstyp: Transiente Strömung
- Netzdichte beträgt 20% mit Verfeinerungen: 5.698.702 Zellen
- Spalart-Allmaras DDES-Modell
- Einlassrandbedingung - Geschwindigkeitsprofil und Turbulenzintensitätsprofil
- Tunnelboden - "no-slip" Randbedingung
- Tunnelwände und -decke - Slip-Randbedingungen
- Auslassgrenzbedingung - Null-Druck; Geschwindigkeitsgradient von Null
Ergebnisse
In den folgenden Grafiken werden die mittels RWIND-Simulation ermittelten durchschnittlichen Winddruckkoeffizienten mit den Mittelwerten aus Zeitreihen an den mit der TPU Aerodynamic Database gemessenen Testpunkten verglichen. Die Vergleiche werden für die Luvfläche, die rechte und die linke Seite sowie die Leeflächen des Gebäudes durchgeführt.
Die Grafiken zeigen eine sehr gute Übereinstimmung auf der Luvfläche. Die Winddruck-Koeffizienten sind entscheidend für die Gebäudelasten, insbesondere auf dieser Fläche. Bei anderen Flächen ist eine gute Übereinstimmung zwischen dem Trend der Simulationsergebnisse und den Experimenten zu erkennen.
Der Wert des Trefferquoten-Parameters q für den Mittelwert des Druck-Koeffizienten an der Luvfläche bei einer relativen erlaubten Abweichung Wrel = 10% beträgt q = 27.3% (für Wrel = 20% ist es q = 72.7%). Der relative mittlere quadratische Fehler e2 kann ebenfalls nach folgender Formel berechnet werden. Der ermittelte relative mittlere quadratische Fehler für die Luvfläche beträgt e2 = 0.0345. Die Berechnung erfolgt gemäß WTG: Merkblatt des Ausschusses 3 - Numerische Simulation atmosphärischer Strömungen, Kapitel 5.3.2 (siehe Referenzen).
Hinweis: Die in den Grafiken dargestellten experimentellen Daten basieren auf Datendateien, die von der TPU-Website bezogen wurden. Allerdings stimmen die auf der TPU-Website angezeigten Grafiken nur im Fall der Luvfläche mit den Datendateien überein.
