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

Benutzerstory

Das folgende Beispiel beschreibt Windkanalexperimente, die vom Umweltwindkanallabor (EWTL) an der Universität Hamburg [1] als Validierungsfall in Teil 9.4 des WTG-Merkblatts M3 durchgeführt wurden. Wir werden die gemessenen Geschwindigkeitsfelder des Michel-Stadtmodells (Fall BL3-3) verwenden, um numerische CFD-Simulationen in komplexen urbanen Strukturen zu validieren. Das Beispiel kann gemäß Abbildung 2.2 im WTG-Merkblatt-M3 zur Gruppe 1 gehören, basierend auf der Untersuchung des mittleren Windgeschwindigkeitswertes:

• G2: Absolute Werte mit mittleren Genauigkeitsanforderungen: Der Anwendungsbereich kann Parameter oder Vorstudien umfassen, wenn spätere Untersuchungen mit höherer Genauigkeit geplant sind (z.B. Windkanaluntersuchung der Klasse G3).
• R2: Solitäre: alle relevanten Windrichtungen mit ausreichend feiner Richtungsauflösung.
• Z2: Statistische Mittelwerte und Standardabweichungen: vorausgesetzt, sie betreffen stationäre Strömungsprozesse, für die eine statistische Verifizierung der Schwankungen mit einem Spitzenfaktor ausreichend ist.
• S1: Statische Effekte: Sie sind ausreichend, um das Strukturmodell mit dem notwendigen mechanischen Detail, jedoch ohne Massen- und Dämpfungseigenschaften darzustellen.

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 einem atmosphärischen Grenzschichtstrom platziert ist. Die Windkanalmessungen wurden in der WOTAN-Anlage durchgeführt, die einen Testraum mit einer Länge von 18 m, einer Breite von 4 m und einer Höhe von 2,75-3,25 m bietet. Das entsprechende Rauigkeitsfeld wurde durch eine Rauheitslänge von z₀=1,53 m und einen Profilindex α=0,27 charakterisiert, was "sehr raue" Geländebedingungen darstellt. Insgesamt wurden 1.838 Messpunkte für mehrere Dachkonfigurationen erfasst. Die zeitlich abhängigen 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 und an definierten Wiederholbarkeitspunkten verteilt. Der Michel-Stadtdatensatz dient als Referenzvalidierungsfall (C5) gemäß der VDI-Richtlinie 3783 Teil 9 [2]. Für die Validierung werden neben der 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 (z.B. KalWin [3]) für CFD-Validierungs- und Modellvergleichszwecke 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 Schlüsselmethoden zur Validierung von Simulationsergebnissen. Die Trefferrate-Methode bewertet, wie viele der simulierten Werte P_i korrekt innerhalb einer definierten Toleranz mit den Referenzwerten O_i übereinstimmen, unter Verwendung eines binären Klassifikationsansatzes (Treffer oder Fehlschlag). Dieser Ansatz bewertet die Zuverlässigkeit der Simulation durch Berechnung einer Trefferrate q, ähnlich den in der Zuverlässigkeitstheorie verwendeten Vertrauensfunktionen. Im Gegensatz dazu bietet die Methode der Normalisierten Mittleren Quadratabweichung (e²) eine detailliertere Genauigkeitsbewertung durch Quantifizierung der durchschnittlichen quadratischen Abweichung zwischen simulierten und Referenzwerten, normalisiert zur Berücksichtigung von Skalierungsunterschieden. Zusammen bieten diese Methoden sowohl qualitative als auch quantitative Maßnahmen zur 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 normalisierten Geschwindigkeitswerten (U/U_ref), die aus RWIND-Simulationen und experimentellen Messungen gewonnen wurden, zeigt über den untersuchten Datensatz hinweg ein moderates Maß an Übereinstimmung. Insgesamt wurden 43 Validierungspunkte analysiert, bei denen die Abweichungswerte von ungefähr 2% bis fast 50% reichen, was darauf hindeutet, dass die Simulation die Gesamtdimension und den Trend des Geschwindigkeitsfeldes erfasst, lokale Abweichungen jedoch in bestimmten Regionen signifikant bleiben. Die Trefferratenanalyse unterstreicht dieses Verhalten weiter: Nur 18,60% der Datenpunkte liegen innerhalb einer strengen ±10%-Toleranz, was sich auf 37,21% erhöht, wenn die Toleranz auf ±20% erweitert wird. Der Wert des normalisierten mittleren Fehlers 𝑒²=0,2498 bestätigt eine moderate Gesamtabweichung zwischen prognostizierten und gemessenen Werten.

Räumlich gesehen werden niedrigere Abweichungen in Regionen beobachtet, die wahrscheinlich durch stabilere oder angeheftete Strömungsbedingungen charakterisiert sind, während größere Abweichungen dort auftreten, wo stärkere Gradienten oder komplexe Strömungsphänomene erwartet werden, wie z.B. Trennzonen oder Nachlaufregionen. Diese Unterschiede können auf in der stationären RANS-Turbulenzmodellierung, Wandfunktionsannahmen, Meshauslösungswirkungen oder Empfindlichkeit gegenüber Zuflussbedingungen inhärente Begrenzungen zurückgeführt werden. Trotz dieser Begrenzungen zeigt die Simulation eine ausreichende Leistung für Analysen auf Ingenieurniveau und Trendvorhersagen. Für Anwendungen, die eine höhere lokale Genauigkeit erfordern, könnte jedoch eine weitere Verfeinerung der Turbulenzmodellierung, der Meshauslösung oder der Definition der Randbedingungen erforderlich sein.

Tabelle 1: Vergleich der Normalisierten Geschwindigkeit (U/U_ref) zwischen RWIND und experimentellen Daten

Tabelle 2: Validierungsmetriken für den Vergleich der Normalisierten Geschwindigkeit (U/U_ref)

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Michel City - WTG-Beispiel 9.4