H.1.7. Dane pomiarowe dla wielu konstrukcji (przykład WTG 9.4)

Historia użytkownika

Poniższy przykład opisuje eksperymenty przeprowadzone w tunelu aerodynamicznym przez Laboratorium Tunelu Wiatrowego (EWTL) na Uniwersytecie w Hamburgu [1] jako przypadek walidacyjny w Części 9.4 WTG-Merkblatt M3. Zamierzamy wykorzystać zmierzone pola prędkości modelu miasta Michel (Przypadek BL3-3) do walidacji numerycznych symulacji CFD w złożonych strukturach miejskich. Przykład może należeć do Grupy 1, zgodnie z Rysunek 2.2 w WTG-Merkblatt-M3, na podstawie badania średniej wartości prędkości wiatru:

• G2: Wartości absolutne z wymaganiami średniej dokładności: Obszar zastosowania może obejmować parametry lub wstępne badania, gdy planowane są późniejsze badania o wyższej dokładności (np. badanie w tunelu aerodynamicznym klasy G3).
• R2: Samotne: wszystkie istotne kierunki wiatru z wystarczająco drobną rozdzielczością kierunkową.
• Z2: Średnie statystyczne i odchylenia standardowe: pod warunkiem, że dotyczą one stacjonarnych procesów przepływu, dla których wystarczająca jest statystyczna weryfikacja fluktuacji za pomocą współczynnika szczytowego.
• S1: Efekty statyczne: Są one wystarczające do reprezentacji modelu strukturalnego z niezbędnym szczegółem mechanicznym, ale bez właściwości masy i tłumienia.

1 Elementy chropowatości modelu miasta Michel do symulacji przepływu w pobliżu gruntu

2 Elementy szorstkości tunelu aerodynamicznego do wizualizacji powierzchni miejskiej (przykład WTG 9.4)

Opis

Badanie koncentruje się na zidealizowanym, ale geograficznie szczegółowym modelu miasta umieszczonym w przepływie w warstwie granicznej atmosfery. Pomiary w tunelu wiatrowym zostały przeprowadzone w urządzeniu WOTAN, o sekcji testowej długości 18 m, szerokości 4 m i wysokości 2,75-3,25 m. Odpowiednie pole szorstkości charakteryzowało się długością szorstkości z₀=1,53 m i wykładnikiem profilu α=0,27 reprezentującymi "bardzo szorstkie" warunki terenowe. Łącznie zarejestrowano 1,838 punktów pomiarowych dla kilku konfiguracji dachowych. Zmienno-czasowe składowe poziome prędkości u i v, w tym wartości średnie, wariancje, korelacje i widma, uzyskano za pomocą 2D Anemometru Laserowo-Dopplerowskiego (LDA) przy częstotliwości 500-600 Hz. Punkty pomiarowe były rozmieszczone w profilach pionowych i poziomych, w kanionach ulicznych i w określonych miejscach powtarzalności. Zestaw danych miasta Michel służy jako przypadek referencyjny do walidacji (C5) zgodnie z wytycznymi VDI 3783 Część 9 [2]. Do walidacji, oprócz współczynnika trafienia, stosuje się relatywne odchylenie D=0,25 i absolutne odchylenie W=0,08, aby uwzględnić powtarzalność i niepewność pomiarów. Ten zestaw danych został zweryfikowany i przyjęty przez kilka instytucji (np. KalWin [3]) do celów walidacji CFD i porównania modeli.

3 Konfiguracja modelu RWIND elementów szorstkości terenu Michel City dla symulacji CFD opartej na tunelu aerodynamicznym

Wymagania dokładności według WTG-Merkblatt M3

WTG-Merkblatt M3 zapewnia dwie kluczowe metody walidacji wyników symulacji. Metoda Wskaźnika trafienia ocenia, ile z wartości symulowanych P_i poprawnie odpowiada wartościom referencyjnym O_i w określonej tolerancji, wykorzystując podejście klasyfikacji binarnej (trafienie lub nietrafienie). To podejście ocenia niezawodność symulacji, obliczając wskaźnik trafienia q, podobny do funkcji zaufania używanych w teorii niezawodności. W przeciwieństwie do tego, metoda Znormalizowanego Średniego Błędu Kwadratowego (e²) oferuje bardziej szczegółową ocenę dokładności, kwantyfikując średnie kwadratowe odchylenie między wartościami symulowanymi i referencyjnymi, znormalizowane w celu uwzględnienia różnic skali. Razem, te metody dostarczają jakościowych i ilościowych miar do walidacji symulacji.

• Weryfikacja wyników symulacji przy zastosowaniu metody elementów skończonych zdefiniowanej w WTG-Merkblatt M3

• Ocena dokładności wyników przy użyciu znormalizowanego średniego błędu kwadratowego zdefiniowanego w WTG-Merkblatt M3

Wyniki i dyskusja

Porównanie znormalizowanych wartości prędkości (U/U_ref) uzyskanych z symulacji RWIND i pomiarów eksperymentalnych wykazuje umiarkowaną zgodność w badanym zbiorze danych. Przeanalizowano łącznie 43 punkty walidacyjne, przy których wartości odchylenia wahają się od około 2% do prawie 50%, co wskazuje, że chociaż symulacja uchwyciła ogólną wielkość i trend pola prędkości, lokalne rozbieżności pozostają znaczne w niektórych obszarach. Analiza wskaźnika trafienia dodatkowo podkreśla to zachowanie: tylko 18,60% punktów danych mieści się w ścisłej tolerancji ±10%, rosnąc do 37,21% przy bardziej liberalnej tolerancji ±20%. Znormalizowana wartość średniego błędu 𝑒²=0,2498 potwierdza umiarkowane ogólne odchylenie między wartościami przewidywanymi i mierzonymi.

Przestrzennie, niższe odchylenia obserwuje się w regionach prawdopodobnie charakteryzujących się bardziej stabilnymi lub przyczepnymi warunkami przepływu, podczas gdy większe rozbieżności występują tam, gdzie można oczekiwać silniejszych gradientów lub złożonych zjawisk przepływu, takich jak strefy separacji lub regiony turbulencji. Te różnice mogą być przypisane ograniczeniom inherentnym w modelowaniu turbulencji RANS, założeniom funkcji ściennych, efektom rozdzielczości siatki lub wrażliwości na warunki wlotowe. Pomimo tych ograniczeń, symulacja wykazuje odpowiednią wydajność do analiz inżynierskich i przewidywania trendów. Jednak w przypadku zastosowań wymagających większej lokalnej dokładności może być konieczna dalsza poprawa modelowania turbulencji, rozdzielczości siatki lub definicji warunków brzegowych.

Tabela 1: Porównanie znormalizowanej prędkości (U/U_ref) między RWIND a danymi eksperymentalnymi

Tabela 2: Metryki walidacji dla porównania znormalizowanej prędkości (U/U_ref)

107x

15x

Michel City – przykład WTG 9.4