Datos de Medición para Múltiples Estructuras

Caso de usuario

El siguiente ejemplo describe los experimentos en túnel de viento llevados a cabo por el Laboratorio de Túnel de Viento Ambiental (Environmental Wind Tunnel Laboratory, EWTL) de la Universidad de Hamburgo [1] como caso de validación en la Parte 9.4 del WTG-Merkblatt M3. Vamos a utilizar los campos de velocidad medidos del modelo de la Ciudad de Michel (Caso BL3-3) para validar las simulaciones numéricas de CFD en estructuras urbanas complejas. El ejemplo puede pertenecer al Grupo 1, según Figura 2.2 en el WTG-Merkblatt-M3, basado 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 planifican investigaciones posteriores con mayor precisión (p. ej., examen en túnel de viento de clase G3).
• R2: Aislado: todas las direcciones de viento relevantes con una 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 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 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 en el 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 de perfil α=0.27, lo 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, incluyendo valores medios, varianzas, correlaciones y espectros, se obtuvieron con un Anemómetro Láser-Doppler (LDA) 2D a 500-600 Hz. Los puntos de medición se distribuyeron en perfiles verticales y horizontales, en calles estrechas y en ubicaciones de repetibilidad definidas. El conjunto de datos de la Ciudad de Michel sirve como caso de validación de referencia (C5) según la Directriz VDI 3783 Parte 9 [2]. Para la validación, además de la tasa de aciertos, se aplican una desviación relativa D=0.25 y una desviación absoluta W=0.08 para tener en cuenta la repetibilidad y la incertidumbre de la medición. Este conjunto de datos ha sido verificado y adoptado por varias instituciones (p. ej., KalWin [3]) para fines de validación de CFD y 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 la simulación. El método de la Tasa de Aciertos (Hit Rate) 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 la teoría de la fiabilidad. Por el contrario, el método del Error Cuadrático Medio Normalizado (e²) ofrece una evaluación de la precisión más detallada al cuantificar la desviación cuadrática media 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 la 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 normalizada (U/U_ref) obtenidos de las simulaciones de RWIND y las mediciones 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 que los valores de desviación oscilan entre aproximadamente el 2% y casi el 50%, lo que indica que, si bien la simulación captura la magnitud y la tendencia generales del campo de velocidad, persisten discrepancias locales 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 se encuentran dentro de una tolerancia estricta de ±10%, aumentando al 37.21% cuando la tolerancia se relaja a ±20%. El valor del error medio normalizado 𝑒²=0.2498 confirma una desviación global moderada entre los valores predichos y los medidos.

Espacialmente, se observan desviaciones más bajas en regiones probablemente caracterizadas por condiciones de flujo más estables o adherido, mientras que surgen discrepancias mayores 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 al modelado de turbulencia RANS estacionario, las suposiciones de las funciones de pared, los efectos de la resolución de la malla o la 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 la malla o la definición de las condiciones de contorno.

Tabla 1: Comparación de la velocidad normalizada (U/U_ref) entre RWIND y datos experimentales

Tabla 2: Métricas de validación para la comparación de velocidad normalizada (U/U_ref)

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Michel City - Ejemplo de WTG 9.4