H.1.7. Messdaten für mehrere Bauwerke (WTG-Beispiel 9.4)

1 Rauheitselemente des Windkanalmodells „Michel City“ zur Simulation der bodennahen Strömung

2 Windkanal-Rauheitselemente zur Darstellung städtischer Oberflächen (WTG-Beispiel 9.4)

Beschreibung

Die Untersuchung konzentriert sich auf ein idealisiertes, aber geometrisch detailliertes Stadtmodell, das in einer atmosphärischen Grenzschichtströmung platziert wurde. Die Windkanalmessungen wurden in der WOTAN-Anlage durchgeführt, die über eine Teststrecke von 18 m Länge, 4 m Breite und 2,75–3,25 m Höhe verfügt. Das entsprechende Rauheitsfeld war durch eine Rauigkeitslänge von z₀=1.53 m und einen Profil-Exponenten von α=0.27 gekennzeichnet, was „sehr rauhen“ Geländebedingungen entspricht. Insgesamt wurden 1.838 Messpunkte für verschiedene Dachkonfigurationen erfasst. Die zeitabhängigen horizontalen Geschwindigkeitskomponenten u und v, einschließlich Mittelwerte, Varianzen, Korrelationen und Spektren, wurden mit einem 2D-Laser-Doppler-Anemometer (LDA) bei 500–600 Hz ermittelt. Die Messpunkte wurden in vertikalen und horizontalen Profilen, in Straßenschluchten sowie an definierten Standorten zur Wiederholbarkeit verteilt. Der Datensatz "Michel City" dient als Referenz-Validierungsfall (C5) gemäß der VDI-Richtlinie 3783 Blatt 9 [2]. Zur Validierung werden zusätzlich zur Trefferquote eine relative Abweichung D=0.25 und eine absolute Abweichung W=0.08 angewendet, um Wiederholbarkeit und Messunsicherheit zu berücksichtigen. Dieser Datensatz wurde von mehreren Institutionen (e.g., KalWin [3]) für CFD-Validierungen und Modellvergleiche verifiziert und übernommen.

3 Einrichtung des RWIND-Modells der städtischen Rauheitselemente von „Michel City“ für die windkanalbasierte CFD-Simulation

Genauigkeitsanforderung des WTG-Merkblatts M3

Das WTG-Merkblatt M3 bietet zwei zentrale Methoden zur Validierung von Simulationsergebnissen. Die Trefferquote-Methode (Hit-Rate-Methode) bewertet anhand eines binären Klassifizierungsansatzes (Treffer oder Fehler), wie viele der simulierten Werte P_i

1. innerhalb einer definierten Toleranz korrekt mit den Referenzwerten O_i übereinstimmen. Dieser Ansatz beurteilt die Zuverlässigkeit der Simulation durch die Berechnung einer Trefferquote q, vergleichbar mit Konfidenzfunktionen in der Zuverlässigkeitstheorie. Im Gegensatz dazu bietet die Methode des normierten quadratischen Mittelwerts ((e²) eine detailliertere Genauigkeitsbewertung, indem sie die durchschnittliche quadratische Abweichung zwischen Simulations- und Referenzwerten quantifiziert und diese zur Berücksichtigung von Skalenunterschieden normiert. Zusammen bieten diese Methoden sowohl qualitative als auch quantitative Maße für die Simulationsvalidierung.

• Validierung von Simulationsergebnissen unter Verwendung der im WTG-Merkblatt M3 definierten Trefferquotenmethode

• Bewertung der Genauigkeit von Ergebnissen unter Verwendung des im WTG-Merkblatt M3 definierten normierten mittleren quadratischen Fehlers

Ergebnisse und Diskussion

Der Vergleich zwischen den aus RWIND-Simulationen gewonnenen normierten Geschwindigkeitswerten (U/U_ref) und experimentellen Messungen zeigt eine moderate Übereinstimmung über den untersuchten Datensatz hinweg. Insgesamt wurden 43 Validierungspunkte analysiert, bei denen die Abweichungswerte von etwa 2 % bis fast 50 % reichen. Dies deutet darauf hin, dass die Simulation zwar die allgemeine Größenordnung und den Trend des Geschwindigkeitsfeldes erfasst, lokale Diskrepanzen in bestimmten Regionen jedoch signifikant bleiben. Die Analyse der Trefferquote verdeutlicht dieses Verhalten weiter: Nur 18,60 % der Datenpunkte liegen innerhalb einer strengen Toleranz von ±10 %; dieser Wert steigt auf 37,21 %, wenn die Toleranz auf ±20 % erweitert wird. Der normierte mittlere quadratische Fehler von 𝑒²=0.2498 bestätigt eine moderate Gesamtabweichung zwischen den vorhergesagten und den gemessenen Werten.

Räumlich gesehen treten geringere Abweichungen in Regionen auf, die wahrscheinlich durch stabilere oder anliegende Strömungsbedingungen gekennzeichnet sind. Größere Diskrepanzen zeigen sich hingegen dort, wo starke Gradienten oder komplexe Strömungsphänomene zu erwarten sind, wie etwa in Ablösegebieten oder Nachlaufregionen. Diese Unterschiede können auf inhärente Einschränkungen der stationären RANS-Turbulenzmodellierung, Annahmen bei den Wandfunktionen, Netzauflösungseffekte oder die Empfindlichkeit gegenüber den Zuströmbedingungen zurückgeführt werden. Trotz dieser Einschränkungen zeigt die Simulation eine angemessene Leistungsfähigkeit für Analysen auf Ingenieurniveau und die Vorhersage von Trends. Für Anwendungen, die eine höhere lokale Genauigkeit erfordern, könnten jedoch eine weitere Verfeinerung der Turbulenzmodellierung, der Netzauflösung oder der Definition der Randbedingungen erforderlich sein.

Tabelle 1: Vergleich der normierten Geschwindigkeiten (U/U_ref) zwischen RWIND und experimentellen Daten

Tabelle 2: Validierungsparameter für den Vergleich der normierten Geschwindigkeiten (U/U_ref)

130x

16x

Michel City - WTG-Beispiel 9.4