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

Historia de usuario

El siguiente ejemplo describe experimentos en túnel de viento realizados por el Laboratorio de Túnel de Viento Ambiental (EWTL) de 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 de CFD en estructuras urbanas complejas. El ejemplo puede pertenecer al Grupo 2, de acuerdo con Figura 2.2 en WTG-Merkblatt-M3, basándose en la investigación del valor promedio de la 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 clase G3).
• R2: Solitario: todas las direcciones de viento relevantes con resolución direccional suficientemente fina.
• Z2: Valores medios estadísticos y desviaciones estándar: siempre que impliquen procesos de flujo estacionario para los cuales una verificación estadística de 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)

Descripción

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 cuenta con una sección de ensayo 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 techos. Se obtuvieron los componentes de velocidad horizontal dependientes del tiempo u y v, incluyendo valores promedio, varianzas, correlaciones y espectros, con un Anemómetro Láser-Doppler 2D (LDA) a 500-600 Hz. Los puntos de medición se distribuyeron en perfiles verticales y horizontales, en cañones de calles y en ubicaciones de repetibilidad definidas. El conjunto de datos de la Ciudad de Michel sirve como un 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 de CFD y comparación de modelos.

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

Requisito de precisión del WTG-Merkblatt M3

El WTG-Merkblatt M3 proporciona dos métodos clave para validar los resultados de simulación. El método de 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 error). Este enfoque evalúa la fiabilidad de la simulación calculando una tasa de aciertos q, similar a las funciones de confianza utilizadas en la teoría de 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 los valores simulados y los 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

La comparación entre los valores de velocidad normalizados (U/U_ref) obtenidos de simulaciones RWIND y medidas experimentales demuestra un nivel moderado de concordancia en todo el conjunto de datos investigado. Se analizaron un total de 43 puntos de validación en los cuales los valores de desviación varían aproximadamente del 2% a casi el 50%, indicando que aunque la simulación captura la magnitud y la tendencia general del campo de velocidad, las discrepancias locales siguen siendo significativas en ciertas regiones. El análisis de la tasa de aciertos destaca aún más este comportamiento: solo el 18.60% de los puntos de datos caen dentro de una estricta tolerancia de ±10%, aumentando al 37.21% cuando se relaja la tolerancia a ±20%. El valor del error cuadrático medio normalizado 𝑒²=0.2498 confirma una desviación general moderada entre los valores predichos y los medidos.

Espacialmente, se observan desviaciones menores en regiones probablemente caracterizadas por condiciones de flujo más estables o adjuntas, mientras que ocurren discrepancias mayores donde se esperan gradientes más fuertes o fenómenos de flujo complejos, como zonas de separación o áreas de estela. Estas diferencias pueden atribuirse a limitaciones inherentes al modelado de turbulencia RANS estacionario, suposiciones de funciones de pared, efectos de resolución de malla o sensibilidad a las condiciones de entrada. A pesar de estas limitaciones, la simulación demuestra un rendimiento adecuado para el análisis a nivel de ingeniería y la predicción de tendencias. Sin embargo, para aplicaciones que requieren una mayor precisión local, puede ser necesario un refinamiento adicional del modelado de turbulencia, la resolución de malla o la definición de condiciones de frontera.

Tabla 1: Comparación de Velocidad Normalizada (U/U_ref) entre RWIND y Datos Experimentales

Tabla 2: Métricas de Validación para Comparación de Velocidad Normalizada (U/U_ref)

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Michel City - Ejemplo de WTG 9.4