Anwendungsbeispiel
In diesem Beispiel berechnen wir lokale Drücke, gemittelte Drücke und Parameterstudien für die Vorbemessung mit genaueren Methoden, wie z. B. transiente URANS.
Dieses Beispiel gehört zur Gruppe 2 gemäß Bild 2.2 in WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Absolute Werte mit mittleren Genauigkeitsanforderungen. Das Anwendungsgebiet kann Parameter- oder Vorstudien umfassen, wenn spätere Untersuchungen mit höherer Genauigkeit geplant sind (z. B. Windkanaluntersuchung der Klasse G3).
- R2: Solitär, alle relevanten Windrichtungen mit ausreichend feiner Richtungsauflösung.
- Z2: Statistische Mittelwerte und Standardabweichungen, sofern es sich um stationäre Strömungsvorgänge handelt, für die eine statistische Erfassung der Fluktuationen mit einem Spitzenfaktor ausreichend ist.
- S1: Statische Einwirkungen. Sie sind ausreichend, um das Tragwerksmodell mit der erforderlichen mechanischen Detaillierung, jedoch ohne Massen- und Dämpfungseigenschaften abzubilden.
Die Abmessungen des Beispiels sind in Bild 1 dargestellt, und die Eingabeannahmen sind in Tabelle 1 dargestellt:
Tabelle 1: Eingabedaten des 3D-Würfelbeispiels
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| Parameter | Symbol | Wert | Einheit |
| Basiswindgeschwindigkeit | V | 10,13 | m/s |
| Dachhöhe | h | 6 | m |
| Horizontale Abmessung | α | 6 | m |
| Dachneigungswinkel | θroof | 0 | Grad |
| Luftdichte – RWIND | ρ | 1,25 | kg/m³ |
| Windrichtungen | θwind | 0 | Grad |
| Turbulenzmodell – RWIND | RANS & URANS | - | - |
| Kinematische Viskosität (Gleichung 7:15, EN 1991-1-4) – RWIND | ν | 1,5×10⁻⁵ | m²/s |
| Ordnung des Schemas – RWIND | Erste und Zweite | - | - |
| Zielwert Residuum – RWIND | 10⁻⁴ | - | - |
| Art des Residuums – RWIND | Druck | - | - |
| Mindestanzahl Iterationen – RWIND | 800 | - | - |
| Grenzschicht – RWIND | NL | 10 | - |
| Art der Wandfunktion – RWIND | Standard | - | - |
Sensitivitätsanalyse
Für das aktuelle Beispiel wird die Sensitivitätsanalyse gemäß Bild 2 dargestellt. Die Ergebnisse der Gesamtwiderstandskräfte werden für vier verschiedene Netzanordnungen untersucht. Die Netzkonvergenz wird bei 1,6 Millionen Zellen erreicht (Netz #4).
Das WTG-Merkblatt M3 bietet zwei Schlüsselmethoden zur Validierung von Simulationsergebnissen. Die Hit-Rate-Methode bewertet, wie viele der simulierten Werte Pi korrekt mit den Referenzwerten Oi innerhalb einer definierten Toleranz übereinstimmen, unter Verwendung eines binären Klassifikationsansatzes (Treffer oder kein Treffer). Dieser Ansatz beurteilt die Zuverlässigkeit der Simulation durch Berechnung einer Trefferquote q, ähnlich den in der Zuverlässigkeitstheorie verwendeten Vertrauensfunktionen. Im Gegensatz dazu bietet die Methode des normalisierten mittleren quadratischen Fehlers (e2) eine detailliertere Genauigkeitsbewertung, indem sie die durchschnittliche quadratische Abweichung zwischen simulierten und Referenzwerten quantifiziert, normalisiert, um Skalenunterschiede zu berücksichtigen. Zusammen bieten diese Methoden sowohl qualitative als auch quantitative Maße für die Simulationsvalidierung.
Ergebnisse
Das Diagramm in Bild 3 zeigt die Verteilung der mittleren und Spitzendruckbeiwerte (Cp) entlang einer bestimmten Position auf einem Bauwerk und vergleicht experimentelle Ergebnisse mit numerischen Simulationen unter Verwendung verschiedener Rechenmodelle. Die experimentellen Daten umfassen Messungen aus der Silsoe-F-S-Feldstudie und Windkanaltests (WT), während die Simulationen mit den Modellen RWIND RANS und RWIND URANS durchgeführt werden. Das URANS-Modell ist weiter in Mittel- und Spitzenwerte unterteilt, um das aerodynamische Druckverhalten umfassend zu analysieren.
Der Vergleich in Bild 4 zielt darauf ab, die Genauigkeit der RWIND-Simulationsmodelle bei der Nachbildung experimenteller Ergebnisse zu bewerten. Wichtige statistische Metriken wie der Korrelationskoeffizient (R) und das Bestimmtheitsmaß (R²) werden präsentiert, um die Übereinstimmung zwischen simulierten und experimentellen Daten zu quantifizieren und Einblicke in die Zuverlässigkeit dieser Modelle für die aerodynamische Analyse zu geben. Die diagonale Referenzlinie stellt eine perfekte Übereinstimmung zwischen Simulations- und experimentellen Ergebnissen dar, und die Nähe der Datenpunkte zu dieser Linie spiegelt die Genauigkeit jedes Modells wider. Der Unterschied zwischen RWIND und dem Eurocode beträgt etwa Wrel,RANS = 11,54 % und Wrel,URANS = 21,46 %; dann kann die Trefferquote ermittelt werden als qRANS = 59 % und qURANS,10% = 30 % und qURANS,20% = 63 %. Der normalisierte mittlere quadratische Fehler wird jeweils berechnet; e2RANS = 0,02 und e2URANS = 0,04.
Das Modell steht hier zum kostenlosen Download zur Verfügung:
