H.1.7. Datos de medición para estructuras múltiples (ejemplo 9.4 de WTG)

User Story

El siguiente ejemplo describe experimentos en el túnel de viento realizados por el Laboratorio de Túnel de Viento Ambiental (EWTL) en la Universidad de Hamburgo [1] como un caso de validación en la Parte 9.4 del WTG-Merkblatt M3. Vamos a utilizar los campos de velocidad medidos y los datos de rugosidad del modelo de la ciudad de Michel (Caso BL3-3) para validar simulaciones numéricas CFD en estructuras urbanas complejas. El ejemplo puede pertenecer a la Grupo 2, según Figura 2.2 en WTG-Merkblatt-M3, basado en investigar el valor promedio de velocidad del viento:

• G2: Valores absolutos con requisitos de precisión media: El área de aplicación puede incluir parámetros o estudios preliminares cuando se planean investigaciones posteriores con mayor precisión (por ejemplo, examen en túnel de viento de la clase G3).
• R2: Solitaria: todas las direcciones del viento relevantes con resolución direccional suficientemente fina.
• Z2: Valores medios estadísticos y desviaciones estándar: siempre que involucren procesos de flujo estacionarios para los que una verificación estadística de las fluctuaciones con un factor de pico sea suficiente.
• S1: Efectos estáticos: Son suficientes para representar el modelo estructural con el detalle mecánico necesario, pero sin propiedades de masa y amortiguamiento.

1 Elementos de rugosidad del túnel de viento “Ciudad de Michel” para simulación de flujo cerca del suelo

2 Elementos de rugosidad del túnel de viento para representación de superficies urbanas (Ejemplo WTG 9.4)

Description

La investigación se centra en un modelo de ciudad idealizado pero geométricamente detallado colocado en un flujo de capa límite atmosférica. Las mediciones en el túnel de viento se realizaron en la instalación WOTAN, que presenta una sección de prueba de 18 m de largo, 4 m de ancho y 2.75-3.25 m de alto. El campo de rugosidad correspondiente se caracterizó por una longitud de rugosidad de z₀=1.53 m y un exponente de perfil α=0.27 que representa condiciones de terreno "muy rugoso". Se registraron un total de 1,838 puntos de medición para varias configuraciones de techo. Los componentes de velocidad horizontal dependientes del tiempo u y v, incluidos los valores medios, varianzas, correlaciones y espectros, se obtuvieron con un anemómetro Doppler láser en 2D (LDA) a 500-600 Hz. Los puntos de medición se distribuyeron en perfiles verticales y horizontales, en cañones de calle, y en ubicaciones de repetibilidad definidas. El conjunto de datos de la ciudad de Michel sirve como um caso de validación de referencia (C5) según la Directriz VDI 3783 Parte 9 [2]. Para la validación, además de la tasa de aciertos, se aplica una desviación relativa D=0.25 y una desviación absoluta W=0.08 para tener en cuenta la repetibilidad y la incertidumbre de medición. Este conjunto de datos ha sido verificado y adoptado por varias instituciones (por ejemplo, KalWin [3]) para fines de validación CFD y comparación de modelos.

3 Configuración del modelo RWIND de elementos urbanos de rugosidad "Michel City" para simulación CFD basada en túnel de viento

WTG-Merkblatt M3 Requisito de Precisión

El WTG-Merkblatt M3 proporciona dos métodos clave para validar los resultados de la simulación. El método de la Tasa de Aciertos evalúa cuántos de los valores simulados P_i coinciden correctamente con los valores de referencia O_i dentro de una tolerancia definida, utilizando un enfoque de clasificación binaria (acierto o fallo). Este enfoque evalúa la fiabilidad de la simulación calculando una tasa de aciertos q, similar a las funciones de confianza utilizadas en teoría de la fiabilidad. En contraste, el método de Error Cuadrático Medio Normalizado (e²) ofrece una evaluación de precisión más detallada al cuantificar la desviación cuadrática media entre valores simulados y de referencia, normalizada para tener en cuenta las diferencias de escala. Juntos, estos métodos proporcionan medidas tanto cualitativas como cuantitativas para la validación de simulaciones.

• Validación de resultados de la simulación utilizando el método de índice de éxito definido en la WTG-Merkblatt M3

• Evaluación de la precisión de resultados utilizando el error de media cuadrática normalizado definido en la WTG-Merkblatt M3

Resultados y Discusión

[1] Directriz VDI 3783 Parte 9: Meteorología Ambiental - Modelos de Campo de Viento Microscaletos Progresivos - Evaluación para Edificios y Flujos alrededor de Obstáculos, 2017

[2] KalWin, "Validación de la predicción del campo de flujo dentro de un ambiente urbano realista pero idealizado con OpenFOAM", Informe KalWin Engineering GbR, 2022, http://www.kalwin-engineering.com/wp-content/uploads/2022/10/KalWin-Report-ValidationOkt2022.pdf