H.1.7 Données de mesure pour plusieurs structures (exemple WTG 9.4)

Histoire d’utilisateur

L’exemple suivant décrit les essais en soufflerie menés par le Environmental Wind Tunnel Laboratory (EWTL) de l’Université de Hambourg [1] en tant que cas de validation dans la Partie 9.4 de la WTG-Merkblatt M3. Nous allons utiliser les champs de vitesse mesurés du modèle nommé « Michel City » (Cas BL3-3) pour valider les simulations numériques CFD pour des structures urbaines complexes. L’exemple peut appartenir au Groupe 1, selon Figure 2.2 dans WTG-Merkblatt-M3, basé sur l’étude de la valeur moyenne de la vitesse du vent :

• G2 : Valeurs absolues avec exigences de précision moyennes : le domaine d’application peut inclure des paramètres ou des études préliminaires lorsque des investigations ultérieures avec une plus grande précision sont prévues (par exemple, essai en soufflerie de classe G3).
• R2 : Solitaire : toutes les directions du vent pertinentes avec une résolution directionnelle suffisamment fine.
• Z2 : Valeurs moyennes statistiques et écarts-types : à condition d’impliquer des processus de flux stationnaires pour lesquels une vérification statistique des fluctuations avec un facteur de pointe est suffisante.
• S1 : Effets statiques : suffisants pour représenter le modèle structurel avec le détail mécanique nécessaire, mais sans propriétés de masse et d’amortissement.

1 Éléments de rugosité d’un modèle de soufflerie « Michel City » pour une simulation des flux proches du sol

2 Éléments de rugosité dans la soufflerie pour la représentation de la surface urbaine (Exemple WTG n°9.4)

Description

L’investigation porte sur un modèle idéalisé mais géométriquement détaillé d’une ville placé dans un écoulement de couche limite atmosphérique. Les essais en soufflerie ont été effectuées dans l’installation WOTAN, avec une section d’essai de 18 m de long, 4 m de large et 2,75-3,25 m de haut. Le champ de rugosité correspondant était 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 de vitesse horizontale 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 répartis 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 de Michel sert de cas de validation de référence (C5) selon la directive VDI 3783 Partie 9 [1]. Pour la validation, en plus du taux de réussite, un écart relatif D=0,25 et un écart absolu W=0,08 sont appliqués pour prendre en compte la reproductibilité et l’incertitude de mesure. Ce jeu de données a été vérifié et adopté par plusieurs institutions (par exemple, KalWin [3]) pour la validation et la comparaison de modèles CFD.

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

Exigence de précision WTG-Merkblatt M3

WTG-Merkblatt M3 fournit deux méthodes principales pour valider les résultats de simulation. La méthode du taux de réussite 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 réussite q, similaire aux fonctions de confiance utilisées en théorie de la fiabilité. En revanche, la méthode de l’erreur quadratique moyenne normalisée (e²) offre une évaluation de précision plus détaillée en quantifiant l’écart quadratique moyen entre les valeurs simulées et de référence, normalisée pour tenir compte des différences d’échelle. Ensemble, ces méthodes fournissent des mesures qualitatives et quantitatives pour la validation de simulation.

• 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 des mesures expérimentales démontre un niveau de concordance modéré sur l’ensemble du jeu de données étudié. Un total de 43 points de validation ont été analysés, où les valeurs d’écart varient d’environ 2 % à presque 50 %, indiquant que bien que la simulation capture l’ordre de grandeur et la tendance générale du champ de vitesse, des écarts locaux restent significatifs dans certaines régions. L’analyse du taux de réussite souligne davantage ce comportement : seuls 18,60 % des points de données se trouvent dans une tolérance stricte de ±10 %, augmentant à 37,21 % lorsque la tolérance est relâchée à ±20 %. La valeur de l’erreur moyenne normalisée 𝑒²=0,2498 confirme un écart global modéré entre les valeurs prévues et mesurées.

Spatialement, des écarts plus faibles sont observés dans des régions probablement caractérisées par des conditions d’écoulement plus stables ou attachées, tandis que des écarts plus importants apparaissent là où des gradients plus forts ou des phénomènes d’écoulement complexes sont attendus, tels que des zones de séparation ou des régions de sillage. Ces différences peuvent être attribuées à des limitations inhérentes à la modélisation de la turbulence RANS des flux stationnaires, aux hypothèses de fonction de voile, aux effets de résolution de maillage ou à la sensibilité aux conditions d'entrée. Malgré ces limitations, la simulation démontre une performance adéquate pour une analyse au niveau de l’ingénierie et la prédiction de tendances. Cependant, pour des applications nécessitant une précision locale plus élevée, un raffinement plus important de la modélisation de la turbulence, de la résolution du maillage ou de la définition des conditions aux limites peut être requis.

Tableau 1 : Comparaison des vitesses normalisées (U/U_ref) entre RWIND et les données expérimentales

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

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Michel City - Exemple WTG 9.4