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

Historia del Usuario

El siguiente ejemplo describe experimentos de 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 usar los campos de velocidad medidos del modelo de Michel City (Caso BL3-3) para validar simulaciones numéricas CFD en estructuras urbanas complejas. El ejemplo puede pertenecer al Grupo 1, según Figura 2.2 en WTG-Merkblatt-M3, basado en la investigación del 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 planifican investigaciones posteriores con mayor precisión (por ejemplo, examen de túnel de viento de la clase G3).
• R2: Solitaria: todas las direcciones del viento relevantes con una resolución direccional suficientemente fina.
• Z2: Valores medios estadísticos y desviaciones estándar: siempre que involucren 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 amortiguación.

1 Elementos de rugosidad del modelo del túnel de viento "micrófono de ciudad" para la simulación de flujo cerca del suelo

2 Elementos de rugosidad del túnel de viento para representación de superficie urbana (Ejemplo 9.4 de WTG)

Descripción

La investigación se centra en un modelo de ciudad idealizado pero geométricamente detallado colocado en un flujo de capa límite atmosférica. Las mediciones del túnel de viento se realizaron en la instalación WOTAN, que cuenta con 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 del perfil de α=0.27, representando 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 valores medios, varianzas, correlaciones y espectros, se obtuvieron con un Anemómetro Laser-Doppler 2D (LDA) a 500-600 Hz. Los puntos de medición se distribuyeron en perfiles verticales y horizontales, en cañones urbanos y en ubicaciones de repetibilidad definidas. El conjunto de datos de Michel City sirve como un caso de validación de referencia (C5) según la Directriz VDI 3783 Parte 9 [2]. Para la validación, además de la razón de impacto, se aplica una desviación relativa D=0.25 y una desviación absoluta W=0.08 para tener en cuenta la repetibilidad y la incertidumbre en la medición. Este conjunto de datos ha sido verificado y adoptado por varias instituciones (por ejemplo, KalWin [3]) para la validación CFD y propósitos de comparación de modelos.

3 Configuración del modelo RWIND de elementos de rugosidad urbana “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 la Tasa de Acierto 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 confiabilidad de la simulación calculando una tasa de acierto q, similar a las funciones de confianza utilizadas en la teoría de la confiabilidad. En contraste, el método del Error Cuadrático Medio Normalizado (e²) ofrece una evaluación de precisión más detallada al cuantificar la desviación cuadrática promedio entre los 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 simulación.

• 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 mediciones experimentales demuestra un nivel moderado de acuerdo en el conjunto de datos investigado. Se analizaron un total de 43 puntos de validación donde los valores de desviación varían aproximadamente del 2% a casi el 50%, indicando que, aunque la simulación captura la magnitud y tendencia general del campo de velocidad, las discrepancias locales siguen siendo significativas en ciertas regiones. El análisis de la tasa de acierto destaca aún más este comportamiento: solo el 18.60% de los puntos de datos caen dentro de una estricta tolerancia de ±10%, aumentando a 37.21% cuando la tolerancia se relaja a ±20%. El valor del error medio normalizado 𝑒²=0.2498 confirma una desviación general moderada entre los valores predichos y medidos.

Espacialmente, se observan desviaciones menores en regiones probablemente caracterizadas por condiciones de flujo más estables o adheridas, mientras que ocurren mayores discrepancias donde se esperan gradientes más fuertes o fenómenos de flujo complejos, como zonas de separación o regiones de estela. Estas diferencias pueden atribuirse a limitaciones inherentes en el 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 análisis a nivel de ingeniería y predicción de tendencias. Sin embargo, para aplicaciones que requieren una mayor precisión local, puede ser necesario un mayor refinamiento del modelado de turbulencia, la resolución de malla o la definición de condiciones de contorno.

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

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

107x

15x

Michel City - Ejemplo de WTG 9.4