User Story
Następujący przykład opisuje eksperymenty tunelowe przeprowadzone przez Laboratorium Tunelu Wiatrowego Środowiskowego (EWTL) na Uniwersytecie w Hamburgu [1] jako przypadek walidacyjny w części 9.4 WTG-Merkblatt M3. Zamierzamy wykorzystać zmierzone pola prędkości i dane o chropowatości modelu miasta Michel (Przypadek BL3-3) w celu walidacji numerycznych symulacji CFD w złożonych strukturach miejskich. Przykład ten może należeć do Grupy 2, zgodnie z Rysunek 2.2 w WTG-Merkblatt-M3, na podstawie badania średniej wartości prędkości wiatru:
- G2: Wartości absolutne ze średnimi wymaganiami dokładności: Obszar zastosowania może obejmować parametry lub badania wstępne, gdy planowane są późniejsze badania z większą dokładnością (np. badanie tunelowe klasy G3).
- R2: Pojedyncze: wszystkie istotne kierunki wiatru z wystarczająco drobną rozdzielczością kierunkową.
- Z2: Średnie wartości statystyczne i odchylenia standardowe: pod warunkiem, że dotyczą one procesów przepływowych stacjonarnych, dla których statystyczne potwierdzenie wahań przy użyciu współczynnika szczytu jest wystarczające.
- S1: Efekty statyczne: Są one wystarczające, aby przedstawić model strukturalny z niezbędnym szczegółem mechanicznym, ale bez właściwości masowych i tłumiących.
Opis
Badanie koncentruje się na zidealizowanym, ale geometrycznie szczegółowym modelu miasta umieszczonym w przepływie w atmosferycznej warstwie granicznej. Pomiarów w tunelu wiatrowym dokonano w obiekcie WOTAN, wyposażonym w odcinek testowy o długości 18 m, szerokości 4 m i wysokości 2,75-3,25 m. Odpowiednie pole chropowatości było charakteryzowane przez długość chropowatości z0=1,53 m oraz wykładnik profilu α=0,27, reprezentujący "bardzo szorstkie" warunki terenu. Zarejestrowano łącznie 1 838 punktów pomiarowych dla kilku konfiguracji dachowych. Czasowo zależne poziome składowe prędkości u i v, w tym wartości średnie, wariancje, korelacje i spektra, uzyskano za pomocą 2D Anemometru Laserowo-Dopplerowskiego (LDA) przy 500-600 Hz. Punkty pomiarowe były rozmieszczone w profilach pionowych i poziomych, w kanionach ulicznych i w określonych miejscach powtarzalności. Zbiór danych Michel City służy jako przypadek walidacyjny odniesienia (C5) zgodnie z wytyczną VDI 3783 część 9 [2]. Do walidacji, oprócz współczynnika trafień, stosuje się względne odchylenie D=0,25 i odchylenie bezwzględne W=0,08 uwzględniające powtarzalność i niepewność pomiarów. Ten zbiór danych został zweryfikowany i przyjęty przez kilka instytucji (np. KalWin [3]) do walidacji CFD i celów porównawczych modeli.
Wymagania dotyczące dokładności WTG-Merkblatt M3
WTG-Merkblatt M3 dostarcza dwóch kluczowych metod walidacji wyników symulacji. Metoda Wskaźnika Trafień ocenia, ile z symulowanych wartości Pi poprawnie pasuje do wartości referencyjnych Oi w ramach zdefiniowanej tolerancji, z użyciem binarnej klasyfikacji (trafienie lub nietrafienie). Podejście to ocenia niezawodność symulacji poprzez obliczenie wskaźnika trafień q, podobnie jak funkcje ufności stosowane w teorii niezawodności. W przeciwieństwie do tego metoda Znormalizowanego Średniego Błędu Kwadratowego (e2) oferuje bardziej szczegółową ocenę dokładności, kwantyfikując średnie kwadratowe odchylenie między symulowanymi a referencyjnymi wartościami, znormalizowane w celu uwzględnienia różnic skali. Razem te metody dostarczają zarówno jakościowych, jak i ilościowych miar walidacji symulacji.
Wyniki i Dyskusja
[1] VDI Richtlinie 3783 Blatt 9: Umweltmeteorologie - Prognostische mikroskalige Windfeldmodelle - Evaluierung für Gebäude- und Hindernisumströmung, 2017
[2] KalWin, “Walidacja przewidywania pola przepływu wewnątrz realistycznego, ale zidealizowanego miejskiego środowiska z OpenFOAM”, Raport KalWin Engineering GbR, 2022, http://www.kalwin-engineering.com/wp-content/uploads/2022/10/KalWin-Report-WalidacjaOkt2022.pdf