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

Historia użytkownika

Poniższy przykład opisuje eksperymenty tunelu aerodynamicznego przeprowadzone przez Laboratorium Tunelu Wiatrowego Środowiska (EWTL) na Uniwersytecie w Hamburgu [1] jako przykład walidacyjny w części 9.4 WTG-Merkblatt M3. Zamierzamy użyć zmierzonych pól prędkości i danych o chropowatości modelu miasta Michel (Case BL3-3) do walidacji numerycznych symulacji CFD w złożonych strukturach miejskich. Przykład ten może należeć do Grupy 2, zgodnie z Rysunek 2.2 w WTG-Merkblatt-M3, opierając się na badaniu średniej wartości prędkości wiatru:

• G2: Wartości absolutne z wymaganiami średniej dokładności: Obszar zastosowania może obejmować parametry lub wstępne badania, gdy planowane są późniejsze badania z wyższą dokładnością (np. badania tunelowe klasy G3).
• R2: Samotność: wszystkie istotne kierunki wiatru z wystarczająco drobną rozdzielczością kierunkową.
• Z2: Statystyczne wartości średnie i odchylenia standardowe: pod warunkiem, że dotyczą stacjonarnych procesów przepływowych, dla których wystarczająca jest statystyczna weryfikacja fluktuacji za pomocą współczynnika szczytowego.
• S1: Efekty statyczne: Są wystarczające do przedstawienia modelu konstrukcyjnego z niezbędnymi szczegółami mechanicznymi, ale bez właściwości masowych i tłumiących.

1 Elementy chropowatości modelu tunelu aerodynamicznego „Michel City” do symulacji przepływu blisko gruntu

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

Opis

Badanie koncentruje się na zidealizowanym, ale geometrycznie szczegółowym modelu miasta umieszczonym w przepływie warstwy granicznej atmosfery. Pomiary w tunelu aerodynamicznym zostały przeprowadzone w obiekcie WOTAN, który ma sekcję testową o długości 18 m, szerokości 4 m i wysokości 2,75-3,25 m. Odpowiednie pole chropowatości zostało scharakteryzowane długością chropowatości z₀=1,53 m i wykładnikiem profilu α=0,27, reprezentującym warunki terenu "bardzo chropowatego". Zarejestrowano łącznie 1838 punktów pomiarowych dla kilku konfiguracji dachów. Czasowe komponenty poziome prędkości u i v, w tym wartości średnie, wariancje, korelacje i spektra, uzyskano za pomocą anemometru laserowego Dopplera (LDA) w 500-600 Hz. Punkty pomiarowe rozmieszczono w profilach pionowych i poziomych, w kanionach ulicznych i w określonych lokalizacjach powtarzalnych. Zbiór danych miasta Michel służy jako przypadek walidacyjny (C5) według wytycznych VDI 3783 część 9 [2]. Do walidacji, oprócz wskaźnika trafień, stosuje się odchylenie względne D=0,25 i odchylenie bezwzględne W=0,08, aby uwzględnić powtarzalność i niepewność pomiarową. Ten zbiór danych został zweryfikowany i przyjęty przez kilka instytucji (np. KalWin [3]) do celów walidacji CFD i porównania modeli.

3 Konfiguracja modelu RWIND elementów szorstkości wiatrowej obszaru urbanistycznego "Michel City" dla symulacji CFD opartej na tunelu aerodynamicznym

Wymagania dotyczące dokładności WTG-Merkblatt M3

WTG-Merkblatt M3 dostarcza dwóch kluczowych metod weryfikacji wyników symulacji. Metoda Wskaźnika Trafień ocenia, ile z symulowanych wartości P_i poprawnie odpowiada wartościom referencyjnym O_i w obrębie zdefiniowanej tolerancji, przy użyciu podejścia binarnej klasyfikacji (trafienie albo pudło). To podejście ocenia wiarygodność symulacji przez obliczenie wskaźnika trafień q, podobnie jak funkcje ufności stosowane w teorii niezawodności. Z kolei metoda Znormalizowanego Średniego Błędu Kwadratowego (e²) oferuje bardziej szczegółową ocenę dokładności, kwantyfikując średnie kwadratowe odchylenie między wartościami symulowanymi a referencyjnymi, znormalizowane w celu uwzględnienia różnic skali. Razem te metody dostarczają jakościowych i ilościowych miar dla 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 między znormalizowanymi wartościami prędkości (U/U_ref) uzyskanymi z symulacji RWIND a pomiarami eksperymentalnymi pokazuje umiarkowany poziom zgodności w analizowanym zbiorze danych. Analizowano łącznie 43 punkty walidacyjne, w których wartości odchyleń wynosiły od około 2% do niemal 50%, co wskazuje, że chociaż symulacja wychwytuje ogólną wielkość i trend pola prędkości, lokalne różnice pozostają znaczące w niektórych regionach. Analiza wskaźnika trafień dodatkowo podkreśla to zachowanie: tylko 18,60% punktów danych mieści się w ścisłej tolerancji ±10%, zwiększając się do 37,21%, gdy tolerancja jest rozluźniona do ±20%. Wartość znormalizowanego błędu średniego 𝑒²=0,2498 potwierdza umiarkowane ogólne odchylenie między przewidywanymi a zmierzonymi wartościami.

Przestrzennie, niższe odchylenia obserwuje się w obszarach prawdopodobnie charakteryzujących się bardziej stabilnymi lub przytwierdzonymi warunkami przepływu, podczas gdy większe różnice występują tam, gdzie oczekuje się silniejszych gradientów lub złożonych zjawisk przepływowych, takich jak strefy separacji czy regiony za falą. Różnice te mogą być przypisane ograniczeniom związanym z modelowaniem turbulencji RANS w stanie stacjonarnym, założeniom dotyczącym funkcji ściennej, efektom rozdzielczości siatki lub czułości na warunki wlotowe. Pomimo tych ograniczeń, symulacja wykazuje odpowiednią wydajność dla analizy inżynieryjnej i przewidywania trendów. Jednak w przypadku zastosowań wymagających większej miejscowej dokładności, może być konieczne dalsze udoskonalenie modelowania turbulencji, rozdzielczości siatki lub definicji warunków brzegowych.

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

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

89x

13x

Michel City – przykład WTG 9.4