H.1.7. Dados de medição para várias estruturas (Exemplo de WTG 9.4)

História de Usuário

O exemplo a seguir descreve experimentos em túnel de vento realizados pelo Laboratório de Túnel de Vento Ambiental (EWTL) da Universidade de Hamburgo [1] como um caso de validação na Parte 9.4 do WTG-Merkblatt M3. Vamos usar os campos de velocidade medidos e os dados de rugosidade do modelo da Cidade Michel (Caso BL3-3) para validar simulações numéricas CFD em estruturas urbanas complexas. O exemplo pode pertencer ao Grupo 2, de acordo com Figura 2.2 no WTG-Merkblatt-M3, com base na investigação do valor médio da velocidade do vento:

• G2: Valores absolutos com requisitos de precisão média: A área de aplicação pode incluir parâmetros ou estudos preliminares quando investigações posteriores com maior precisão são planejadas (por exemplo, exame de túnel de vento da classe G3).
• R2: Solitário: todas as direções de vento relevantes com resolução direcional suficientemente fina.
• Z2: Valores médios estatísticos e desvios padrão: desde que envolvam processos de fluxo estacionário para os quais uma verificação estatística de flutuações com um fator de pico é suficiente.
• S1: Efeitos estáticos: eles são suficientes para representar o modelo estrutural com o detalhe mecânico necessário, mas sem propriedades de massa e amortecimento.

1 Elementos de rugosidade no modelo de túnel de vento "Michel City" para simulação de fluxo próximo ao solo

2 Elementos de rugosidade do túnel de vento para representação de superfície urbana (exemplo WTG 9.4)

Descrição

A investigação foca em um modelo de cidade idealizado, mas geometricamente detalhado, colocado em um fluxo de camada limite atmosférica. As medições no túnel de vento foram realizadas na instalação WOTAN, apresentando uma seção de teste com 18 m de comprimento, 4 m de largura e 2,75-3,25 m de altura. O campo de rugosidade correspondente foi caracterizado por um comprimento de rugosidade de z₀=1,53 m e um expoente de perfil α=0,27, representando condições de terreno "muito rugoso". Um total de 1.838 pontos de medição foram registrados para várias configurações de telhado. Os componentes de velocidade horizontal dependentes do tempo u e v, incluindo valores médios, variâncias, correlações e espectros, foram obtidos com um Anemômetro Laser-Doppler 2D (LDA) a 500-600 Hz. Os pontos de medição foram distribuídos em perfis verticais e horizontais, em desfiladeiros de rua e em locais de repetibilidade definidos. O conjunto de dados da Cidade Michel serve como um caso de validação de referência (C5) de acordo com a Diretriz VDI 3783 Parte 9 [2]. Para validação, além da taxa de acerto, são aplicadas uma desvio relativo D=0,25 e um desvio absoluto W=0,08 para considerar a repetibilidade e a incerteza de medição. Este conjunto de dados foi verificado e adotado por várias instituições (por exemplo, KalWin [3]) para propósitos de validação e comparação de modelo CFD.

3 Configuração do modelo de elementos de rugosidade urbana "Michel City" do RWIND para simulação CFD com base em túnel de vento

Requisitos de Precisão do WTG-Merkblatt M3

O WTG-Merkblatt M3 fornece dois métodos principais para validar resultados de simulação. O Método da Taxa de Acerto avalia quantos dos valores simulados P_i correspondem corretamente aos valores de referência O_i dentro de uma tolerância definida, usando uma abordagem de classificação binária (acerto ou erro). Esta abordagem avalia a confiabilidade da simulação ao calcular uma taxa de acerto q, semelhante às funções de confiança usadas em teoria de confiabilidade. Em contraste, o método do Erro Quadrado Médio Normalizado (e²) oferece uma avaliação de precisão mais detalhada ao quantificar a média do desvio quadrado entre valores simulados e de referência, normalizada para considerar as diferenças de escala. Juntos, esses métodos fornecem medidas qualitativas e quantitativas para validação de simulação.

• Validação de resultados de simulações utilizando o método de taxa de acerto no WTG-Merkblatt M3

• Avaliação da precisão de resultados utilizando o erro quadrado médio normalizado definido no WTG-Merkblatt M3

Resultados e Discussão

A comparação entre valores de velocidade normalizados (U/U_ref) obtidos a partir de simulações RWIND e medições experimentais demonstra um nível moderado de concordância em todo o conjunto de dados investigado. Um total de 43 pontos de validação foi analisado, no qual os valores de desvio variam de aproximadamente 2% a quase 50%, indicando que, embora a simulação capture a magnitude e a tendência geral do campo de velocidade, discrepâncias locais permanecem significativas em certas regiões. A análise da taxa de acerto destaca ainda mais esse comportamento: apenas 18,60% dos pontos de dados estão dentro de uma rigorosa tolerância de ±10%, aumentando para 37,21% quando a tolerância é relaxada para ±20%. O valor do erro médio normalizado 𝑒²=0,2498 confirma um desvio geral moderado entre os valores previstos e medidos.

Espacialmente, são observados desvios menores em regiões provavelmente caracterizadas por condições de fluxo mais estáveis ou aderidas, enquanto discrepâncias maiores ocorrem onde gradientes mais fortes ou fenômenos de fluxo complexos são esperados, como zonas de separação ou regiões de esteira. Essas diferenças podem ser atribuídas a limitações inerentes na modelagem de turbulência RANS estacionária, suposições de função de parede, efeitos de resolução de malha ou sensibilidade às condições de entrada. Apesar dessas limitações, a simulação demonstra desempenho adequado para análise em nível de engenharia e previsão de tendências. No entanto, para aplicações que exigem maior precisão local, pode ser necessário um refinamento adicional da modelagem de turbulência, resolução de malha ou definição de condições de contorno.

Tabela 1: Comparação de Velocidade Normalizada (U/U_ref) Entre RWIND e Dados Experimentais

Tabela 2: Métricas de Validação para Comparação de Velocidade Normalizada (U/U_ref)

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Michel City – Exemplo 9.4 de WTG