User Story
Das folgende Beispiel beschreibt Windkanalexperimente, die vom Environmental Wind Tunnel Laboratory (EWTL) an der Universität Hamburg [1] als Validierungsfall in Teil 9.4 des WTG-Merkblatts M3 durchgeführt wurden. Wir werden die gemessenen Geschwindigkeitsfelder und Rauheitsdaten des Michel-Stadtmodells (Fall BL3-3) verwenden, um numerische CFD-Simulationen in komplexen urbanen Strukturen zu validieren. Das Beispiel kann laut Abbildung 2.2 im WTG-Merkblatt-M3 zur Gruppe 2 gehören, basierend auf der Untersuchung des durchschnittlichen Windgeschwindigkeitswerts:
- 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, bei denen eine statistische Überprüfung der Schwankungen mit einem Spitzenfaktor ausreicht.
- S1: Statische Effekte: Sie sind ausreichend, um das Strukturmodell mit dem notwendigen mechanischen Detail darzustellen, jedoch ohne Masse- und Dämpfungseigenschaften.
Beschreibung
Die Untersuchung konzentriert sich auf ein idealisiertes, aber geometrisch detailliertes Stadtmodell, das in einem atmosphärischen Grenzschichtströmungsfeld platziert ist. Die Windkanalmessungen wurden in der WOTAN-Anlage durchgeführt, die einen Testbereich von 18 m Länge, 4 m Breite und 2,75-3,25 m Höhe aufweist. Das entsprechende Rauheitsfeld wurde durch eine Rauheitslänge von z0=1,53 m und einen Profilexponenten α=0,27 charakterisiert, der "sehr raue" Geländebedingungen darstellt. Insgesamt wurden 1.838 Messpunkte für mehrere Dachkonfigurationen aufgezeichnet. 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 erfasst. Die Messpunkte wurden in vertikalen und horizontalen Profilen, in Straßenschluchten und an definierten Wiederholbarkeitsstandorten verteilt. Der Michel-Stadt-Datensatz dient als Referenzvalidierungsfall (C5) gemäß der VDI-Richtlinie 3783 Teil 9 [2]. Zur Validierung werden zusätzlich zur Trefferquote eine relative Abweichung D=0,25 und eine absolute Abweichung W=0,08 angewendet, um die Wiederholbarkeit und Messunsicherheit zu berücksichtigen. Dieser Datensatz wurde von mehreren Institutionen (z. B. KalWin [3]) für CFD-Validierungs- und Modellvergleichszwecke überprüft und übernommen.
WTG-Merkblatt M3 Genauigkeitsanforderung
Das WTG-Merkblatt M3 bietet zwei Schlüsselmethode zur Validierung von Simulationsergebnissen. Die Trefferraten-Methode bewertet, wie viele der simulierten Werte Pi korrekt innerhalb einer definierten Toleranz den Referenzwerten Oi entsprechen, wobei ein binärer Klassifikationsansatz (Treffer oder Fehlschlag) verwendet wird. Dieser Ansatz bewertet die Zuverlässigkeit der Simulation durch Berechnung einer Trefferrate q, ähnlich den Vertrauensfunktionen, die in der Zuverlässigkeitstheorie verwendet werden. 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, normiert, um Skalenunterschiede zu berücksichtigen. Zusammen bieten diese Methoden sowohl qualitative als auch quantitative Maßstäbe für die Simulationsvalidierung.
Ergebnisse und Diskussion
[1] VDI Richtlinie 3783 Blatt 9: Umweltmeteorologie - Prognostische mikroskalige Windfeldmodelle - Evaluierung für Gebäude- und Hindernisumströmung, 2017
[2] KalWin, „Validierung der Strömungsfeldvorhersage innerhalb einer realistischen, aber idealisierten städtischen Umgebung mit OpenFOAM“, Bericht KalWin Engineering GbR, 2022, http://www.kalwin-engineering.com/wp-content/uploads/2022/10/KalWin-Report-ValidationOkt2022.pdf