User Story
Il seguente esempio 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 e i dati di rugosità del modello Michel City (Caso BL3-3) per convalidare le simulazioni CFD numeriche in strutture urbane complesse. L'esempio può appartenere al Gruppo 2, secondo Figura 2.2 nel WTG-Merkblatt-M3, basato sull'indagine del valore medio della velocità del vento:
- G2: Valori assoluti con requisiti di precisione media: L'area di applicazione può includere parametri o studi preliminari quando sono previste indagini successive con maggiore precisione (ad esempio, esame in galleria del vento di classe G3).
- R2: Solitario: 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 stazionario per i quali è sufficiente una verifica statistica delle fluttuazioni con un fattore di picco.
- S1: Effetti statici: Sono sufficienti a rappresentare il modello strutturale con il necessario dettaglio meccanico, ma senza proprietà di massa e smorzamento.
Descrizione
L'indagine si concentra su un modello di città idealizzato ma dettagliato geometricamente, posto in un flusso di strato limite atmosferico. Le misurazioni in galleria del vento sono state effettuate presso la 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 che rappresenta condizioni del terreno "molto scabroso". Sono stati registrati un totale di 1.838 punti di misurazione per diverse configurazioni del tetto. Le componenti di velocità orizzontali dipendenti dal tempo u e v, inclusi valori medi, varianze, correlazioni e spettri, sono state ottenute con un Anemometro Laser-Doppler 2D (LDA) a 500-600 Hz. I punti di misurazione sono stati distribuiti in profili verticali e orizzontali, nei canyon delle strade e in posizioni di ripetibilità definite. Il dataset Michel City funge da caso di validazione di riferimento (C5) secondo la Direttiva VDI 3783 Parte 9 [2]. Per la validazione, oltre al rapporto di successo, sono applicati una deviazione relativa D=0,25 e una deviazione assoluta W=0,08 per tenere conto della ripetibilità e dell'incertezza della misurazione. Questo dataset è stato verificato e adottato da diverse istituzioni (ad esempio, KalWin [3]) per scopi di validazione CFD e confronto di modelli.
Requisito di Precisione WTG-Merkblatt M3
Il WTG-Merkblatt M3 fornisce due metodi chiave per convalidare i risultati delle simulazioni. Il metodo del Rapporto di Successo valuta quanti dei valori simulati Pi corrispondono correttamente ai valori di riferimento Oi all'interno di 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 del Mean Squared Error Normalizzato (e2) offre una valutazione della precisione più dettagliata quantificando la deviazione quadrata media tra i valori simulati e quelli di riferimento, normalizzata per tenere conto delle differenze di scala. Insieme, questi metodi forniscono misure sia qualitative che quantitative per la convalida della simulazione.
Risultati e Discussione
Il confronto tra i valori di velocità normalizzati (U/Uref) ottenuti dalle simulazioni RWIND e le misurazioni sperimentali dimostra un livello moderato di accordo attraverso il dataset indagato. Sono stati analizzati un totale di 43 punti di validazione in cui i valori di deviazione variano da circa il 2% a quasi il 50%, indicando che, sebbene la simulazione catturi la magnitudine generale e la tendenza del campo di velocità, 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 rigorosa tolleranza di ±10%, che aumenta al 37,21% quando la tolleranza è rilassata a ±20%. Il valore dell'errore medio normalizzato 𝑒2=0,2498 conferma una deviazione complessiva moderata tra i valori previsti e quelli misurati.
Spatialmente, si osservano deviazioni inferiori in regioni probabilmente caratterizzate da condizioni di flusso più stabili o attaccate, mentre le discrepanze più grandi si verificano dove si prevedono gradienti più forti o fenomeni di flusso complessi, come zone di separazione o regioni di scia. Queste differenze possono essere attribuite a limitazioni intrinseche nella modellazione della turbolenza RANS stazionaria, alle assunzioni di funzioni di parete, agli effetti di risoluzione della maglia o alla sensibilità alle condizioni di afflusso. Nonostante queste limitazioni, la simulazione dimostra una performance adeguata per l'analisi a livello ingegneristico e la previsione di tendenze. Tuttavia, per applicazioni che richiedono maggiore precisione locale, potrebbe essere necessario un ulteriore perfezionamento della modellazione della turbolenza, della risoluzione della maglia o della definizione delle condizioni al contorno.
Tabella 1: Confronto di 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 di Velocità Normalizzata (U/Uref)
| Metrica | Valore |
|---|---|
| Numero totale di punti dati (N) | 43 |
| Tasso di Successo q (tolleranza 10%) | 18.60% |
| Tasso di Successo q (tolleranza 20%) | 37.21% |
| Forma di Deviazione dell'Errore Medio (e²) | 0.2498 |
