User Story
L'esempio seguente descrive esperimenti in galleria del vento condotti dal Laboratorio di Galleria del Vento Ambientale (EWTL) presso l'Università di Amburgo [1] come caso di validazione nella Parte 9.4 del WTG-Merkblatt M3. Utilizzeremo i campi di velocità misurati del modello della città di Michel (Caso BL3-3) per convalidare le simulazioni CFD numeriche in strutture urbane complesse. L'esempio può appartenere al Gruppo 1, secondo Figura 2.2 nel WTG-Merkblatt-M3, basato sull'indagine del valore medio della velocità del vento:
- G2: Valori assoluti con requisiti di accuratezza media: L'area di applicazione può includere parametri o studi preliminari quando sono previste indagini successive con maggiore accuratezza (es., esame in galleria del vento di classe G3).
- R2: Solitaria: tutte le direzioni del vento rilevanti con risoluzione direzionale sufficientemente fine.
- Z2: Valori medi statistici e deviazioni standard: a condizione che coinvolgano processi di flusso stazionari per i quali è sufficiente una verifica statistica delle fluttuazioni con un fattore di picco.
- S1: Effetti statici: Sono sufficienti per rappresentare il modello strutturale con i dettagli meccanici necessari, ma senza proprietà di massa e smorzamento.
Descrizione
L'indagine si concentra su un modello di città idealizzato ma geometricamente dettagliato posizionato in un flusso dello strato limite atmosferico. Le misurazioni in galleria del vento sono state eseguite nella struttura WOTAN, caratterizzata da una sezione di prova lunga 18 m, larga 4 m e alta 2,75-3,25 m. Il campo di rugosità corrispondente è stato caratterizzato da una lunghezza di rugosità di z0=1,53 m e un esponente del profilo α=0,27 rappresentante condizioni di terreno "molto rugoso". In totale, sono stati registrati 1.838 punti di misurazione per diverse configurazioni di tetto. Le componenti di velocità orizzontale dipendenti dal tempo u e v, inclusi i valori medi, le varianze, le correlazioni e gli spettri, sono stati ottenuti con un Anemometro Laser-Doppler 2D (LDA) a 500-600 Hz. I punti di misurazione sono stati distribuiti in profili verticali e orizzontali, in canyon stradali e in posizioni definite di ripetibilità. Il dataset della città di Michel serve come caso di validazione di riferimento (C5) secondo la Linea guida VDI 3783 Parte 9 [2]. Per la validazione, oltre al tasso di successo, vengono applicate una deviazione relativa D=0,25 e una deviazione assoluta W=0,08 per tenere conto della ripetibilità e dell'incertezza di misurazione. Questo dataset è stato verificato e adottato da diverse istituzioni (es., KalWin [3]) per scopi di convalida CFD e confronto di modelli.
Requisito di Precisione del WTG-Merkblatt M3
Il WTG-Merkblatt M3 fornisce due metodi chiave per convalidare i risultati delle simulazioni. Il Metodo del Tasso di Successo valuta quante delle valori simulati Pi corrispondono correttamente ai valori di riferimento Oi entro una tolleranza definita, utilizzando un approccio di classificazione binaria (colpito o mancato). Questo approccio valuta l'affidabilità della simulazione calcolando un tasso di successo q, simile alle funzioni di confidenza utilizzate nella teoria dell'affidabilità. In contrasto, il metodo dellErrore Quadratico Medio Normalizzato (e2) offre una valutazione di accuratezza più dettagliata quantificando la deviazione quadratica media tra valori simulati e valori di riferimento, normalizzata per tenere conto delle differenze di scala. Insieme, questi metodi forniscono misure sia qualitative che quantitative per la validazione della simulazione.
Risultati e Discussione
Il confronto tra i valori di velocità normalizzati (U/Uref) ottenuti da simulazioni RWIND e misurazioni sperimentali dimostra un livello moderato di concordanza nell'intero dataset esaminato. È stato analizzato un totale di 43 punti di validazione nei quali i valori di deviazione variano da circa 2% a quasi 50%, indicando che mentre la simulazione cattura l'ordine di grandezza e la tendenza del campo di velocità complessivo, le discrepanze locali rimangono significative in alcune regioni. L'analisi del tasso di successo evidenzia ulteriormente questo comportamento: solo il 18,60% dei punti dati ricade entro una tolleranza rigida ±10%, aumentando al 37,21% quando la tolleranza viene rilassata a ±20%. Il valore dell'errore quadratico medio normalizzato 𝑒2=0,2498 conferma una deviazione complessiva moderata tra valori previsti e misurati.
A livello spaziale, si osservano deviazioni minori in regioni probabilmente caratterizzate da condizioni di flusso più stabili o attaccate, mentre differenze più grandi si verificano dove ci si aspetta gradienti più forti o fenomeni di flusso complessi, come zone di separazione o regioni di scia. Queste differenze possono essere attribuite a limitazioni inerenti alla modellazione della turbolenza con RANS stazionarie, assunzioni di funzione di parete, effetti di risoluzione della mesh o sensibilità alle condizioni di afflusso. Nonostante queste limitazioni, la simulazione dimostra una prestazione adeguata per l'analisi a livello ingegneristico e la previsione delle tendenze. Tuttavia, per applicazioni che richiedono una maggiore precisione locale, potrebbe essere necessario un ulteriore affinamento della modellazione della turbolenza, della risoluzione della mesh o della definizione delle condizioni al contorno.
Tabella 1: Confronto della Velocità Normalizzata (U/Uref) tra RWIND e Dati Sperimentali
| X | Y | Z | U/Uref – RWIND | U/Uref – Sperimentale | Deviazione (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| -67.25 | -41.76 | 2 | 0.113 | 0.0942 | 16.64 |
| -70.41 | -27.84 | 2 | 0.120 | 0.0787 | 34.42 |
| -73.58 | -13.92 | 2 | 0.096 | 0.0693 | 27.81 |
| -76.75 | 0 | 2 | 0.098 | 0.0959 | 2.14 |
| -63.23 | 0 | 2 | 0.144 | 0.1305 | 9.38 |
| -61.71 | -12 | 2 | 0.134 | 0.1285 | 4.10 |
| -59.44 | -21.99 | 2 | 0.113 | 0.1399 | 23.81 |
| -57.17 | -31.98 | 2 | 0.124 | 0.1385 | 11.69 |
| -56.89 | -44.45 | 2 | 0.158 | 0.1186 | 24.94 |
| -46.54 | -47.15 | 2 | 0.149 | 0.1393 | 6.51 |
| -48.19 | -23.16 | 2 | 0.117 | 0.156 | 33.33 |
| -48.19 | -12 | 2 | 0.105 | 0.154 | 46.67 |
| -49.71 | 0 | 2 | 0.177 | 0.1347 | 23.90 |
| -36.19 | 0 | 2 | 0.117 | 0.1547 | 32.22 |
| -36.19 | -16.61 | 2 | 0.210 | 0.1633 | 22.24 |
| 31.81 | 127.75 | 2 | 0.091 | 0.086 | 5.49 |
| 58.81 | 119.75 | 2 | 0.096 | 0.093 | 3.13 |
| 72.31 | 127.75 | 2 | 0.065 | 0.0558 | 14.15 |
| 72.31 | 115.54 | 2 | 0.082 | 0.0423 | 48.41 |
| 85.81 | 118.91 | 2 | 0.149 | 0.0748 | 49.80 |
| 85.81 | 127.75 | 2 | 0.192 | 0.0978 | 49.06 |
| -149.89 | -124.58 | 2 | 0.103 | 0.1115 | 8.25 |
| -156.52 | -106.63 | 2 | 0.632 | 0.4036 | 36.15 |
| -142.43 | -99.38 | 2 | 0.658 | 0.334 | 49.24 |
| -141.58 | -112.44 | 2 | 0.476 | 0.4192 | 11.93 |
| -130.02 | -143.76 | 2 | 0.117 | 0.1723 | 47.26 |
| -119.53 | -120.2 | 2 | 0.313 | 0.384 | 22.68 |
| -127.31 | -105.09 | 2 | 0.634 | 0.3833 | 39.54 |
| -114.27 | -84.87 | 2 | 0.119 | 0.0894 | 24.87 |
| -105.26 | -112.85 | 2 | 0.466 | 0.3084 | 33.82 |
| -100.19 | -77.62 | 2 | 0.174 | 0.1187 | 31.78 |
| -36.27 | -94.25 | 2 | 0.483 | 0.2455 | 49.17 |
| -35.24 | -109.91 | 2 | 0.249 | 0.2782 | 11.73 |
| -48.97 | -103.35 | 2 | 0.366 | 0.2337 | 36.15 |
| -55.52 | -120.02 | 2 | 0.220 | 0.284 | 29.09 |
| -69.23 | -113.45 | 2 | 0.265 | 0.2553 | 3.66 |
| -103.49 | -58.25 | 2 | 0.270 | 0.1459 | 45.96 |
| -118.54 | 21.4 | 2 | 0.024 | 0.0224 | 6.67 |
| -121.46 | 20.73 | 2 | 0.062 | 0.0361 | 41.77 |
| -120.54 | 30.17 | 2 | 0.117 | 0.0952 | 18.63 |
| -117.61 | 30.84 | 2 | 0.139 | 0.0896 | 35.53 |
| -122.53 | 38.95 | 2 | 0.170 | 0.0907 | 46.65 |
| -125.45 | 38.28 | 2 | 0.158 | 0.1128 | 28.61 |
Tabella 2: Metriche di Validazione per il Confronto della Velocità Normalizzata (U/Uref)
| Metrica | Valore |
|---|---|
| Numero totale di punti dati (N) | 43 |
| Tasso di Successo q (tolleranza del 10%) | 18.60% |
| Tasso di Successo q (tolleranza del 20%) | 37.21% |
| Deviazione della Forma dell'Errore Medio (e²) | 0.2498 |
