Données de mesure pour plusieurs structures (exemple 9.4 WTG)

Histoire Utilisateur

L'exemple suivant décrit des expériences en soufflerie effectuées par le Laboratoire de la soufflerie environnementale (EWTL) de l'Université de Hambourg [1] comme cas de validation dans la Partie 9.4 de la directive WTG-Merkblatt M3. Nous allons utiliser les champs de vitesse mesurés et les données de rugosité du modèle de la ville Michel (Cas BL3-3) pour valider les simulations numériques CFD dans des structures urbaines complexes. L'exemple peut appartenir au Groupe 2, selon Figure 2.2 dans le WTG-Merkblatt-M3, basé sur l'étude de la valeur moyenne de la vitesse du vent :

• G2 : Valeurs absolues avec exigences de précision moyenne: Le domaine d'application peut inclure des paramètres ou des études préliminaires lorsqu'une analyse ultérieure avec une précision plus élevée est prévue (par exemple, examen en soufflerie de la classe G3).
• R2 : Solitaire: toutes les directions de vent pertinentes avec une résolution directionnelle suffisamment fine.
• Z2 : Valeurs moyennes statistiques et déviations standards: à condition qu'elles impliquent des processus d'écoulement stationnaires pour lesquels une vérification statistique des fluctuations avec un facteur de pointe est suffisante.
• S1 : Effets statiques: Ils suffisent à représenter le modèle structurel avec le niveau de détail mécanique nécessaire, mais sans propriétés de masse et d'amortissement.

1 Éléments de rugosité du modèle de la soufflerie « Michel City » pour la simulation des flux proches du sol

2 Éléments de rugosité en soufflerie pour la représentation de la surface urbaine (Exemple WTG 9.4)

Description

L'étude se concentre sur un modèle de ville idéalisé mais géométriquement détaillé placé dans un écoulement en couche limite atmosphérique. Les mesures en soufflerie ont été effectuées dans l'installation WOTAN, qui dispose d'une section de test de 18 m de long, 4 m de large et 2,75-3,25 m de haut. Le champ de rugosité correspondant a été caractérisé par une longueur de rugosité de z₀=1,53 m et un exposant de profil α=0,27 représentant des conditions de terrain "très rugueuses". Un total de 1 838 points de mesure ont été enregistrés pour plusieurs configurations de toiture. Les composantes horizontales de la vitesse dépendantes du temps u et v, y compris les valeurs moyennes, les variances, les corrélations et les spectres, ont été obtenues avec un Anémomètre Laser-Doppler 2D (LDA) à 500-600 Hz. Les points de mesure étaient distribués dans des profils verticaux et horizontaux, dans des canyons de rue, et à des emplacements de répétabilité définis. Le jeu de données de la ville Michel sert de cas de validation de référence (C5) selon la directive VDI 3783 Partie 9 [2]. Pour la validation, en plus du ratio de succès, une déviation relative D=0,25 et une déviation absolue W=0,08 sont appliquées pour tenir compte de la répétabilité et de l'incertitude de mesure. Ce jeu de données a été vérifié et adopté par plusieurs institutions (par exemple, KalWin [3]) à des fins de validation CFD et de comparaison de modèles.

3 Configuration du modèle RWIND des éléments de rugosité urbaine de « Michel City » pour une simulation CFD en soufflerie

Exigence de Précision du WTG-Merkblatt M3

Le WTG-Merkblatt M3 fournit deux méthodes clés pour valider les résultats de simulation. La méthode du Taux de Succès évalue combien des valeurs simulées P_i correspondent correctement aux valeurs de référence O_i dans une tolérance définie, en utilisant une approche de classification binaire (succès ou échec). Cette approche évalue la fiabilité de la simulation en calculant un taux de succès q, similaire aux fonctions de confiance utilisées en théorie de la fiabilité. En revanche, la méthode de lErreur Quadratique Moyenne Normalisée (e²) offre une évaluation plus détaillée de la précision en quantifiant la déviation carrée moyenne entre les valeurs simulées et de référence, normalisée pour tenir compte des différences d'échelle. Ensemble, ces méthodes fournissent des mesures à la fois qualitatives et quantitatives pour la validation des simulations.

• Validation des résultats de simulation à l’aide de la méthode du taux de réussite définie dans la WTG-Merkblatt M3

• Évaluation de la précision des résultats à l'aide de l'erreur quadratique moyenne normalisée définie dans la WTG-Merkblatt M3

Résultats et Discussion

La comparaison entre les valeurs de vitesse normalisées (U/U_ref) obtenues à partir des simulations RWIND et les mesures expérimentales démontre un niveau d'accord modéré à travers l'ensemble de données étudié. Un total de 43 points de validation ont été analysés, où les valeurs de déviation varient d'environ 2% à près de 50%, indiquant que bien que la simulation capture l'ampleur et la tendance globales du champ de vitesse, les divergences locales demeurent significatives dans certaines régions. L'analyse du taux de succès met encore en évidence ce comportement : seulement 18,60% des points de données se situent dans une tolérance stricte de ±10%, augmentant à 37,21% lorsque la tolérance est relâchée à ±20%. La valeur de l'erreur quadratique moyenne normalisée 𝑒²=0,2498 confirme une déviation globale modérée entre les valeurs prédites et mesurées.

Spatialement, des déviations plus faibles sont observées dans les régions probablement caractérisées par des conditions d'écoulement plus stables ou attachées, tandis que de plus grandes divergences se produisent là où des gradients plus forts ou des phénomènes d'écoulement complexes sont attendus, tels que des zones de séparation ou de sillage. Ces différences peuvent être attribuées aux limitations inhérentes à la modélisation de la turbulence RANS stationnaire, aux hypothèses de fonction de paroi, aux effets de résolution de maillage, ou à la sensibilité aux conditions d'entrée. Malgré ces limitations, la simulation montre une performance adéquate pour l'analyse au niveau d'ingénierie et la prédiction de tendance. Cependant, pour des applications nécessitant une plus grande précision locale, un raffinement supplémentaire de la modélisation de la turbulence, de la résolution de maillage ou de la définition des conditions aux limites peut être nécessaire.

Tableau 1 : Comparaison de la Vitesse Normalisée (U/U_ref) entre RWIND et les Données Expérimentales

Tableau 2 : Indicateurs de validation pour la comparaison des vitesses normalisées (U/U_ref)

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Michel City - Exemple WTG 9.4