User Story
O seguinte exemplo descreve experimentos em túnel de vento conduzidos pelo Laboratório de Túnel de Vento Ambiental (EWTL) na 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 dados de rugosidade do modelo Michel City (Caso BL3-3) para validar simulações CFD numéricas 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 estão planejadas (por exemplo, exame em túnel de vento da classe G3).
- R2: Solitário: todas as direções do 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 das flutuações com um fator de pico seja suficiente.
- S1: Efeitos estáticos: Eles são suficientes para representar o modelo estrutural com o detalhe mecânico necessário, mas sem propriedades de massa e amortecimento.
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, com uma seção de teste de 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 cânions de ruas e em locais definidos de repetibilidade. O conjunto de dados Michel City 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, uma desvio relativo D=0,25 e um desvio absoluto W=0,08 são aplicados 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 fins de validação CFD e comparação de modelos.
Requisito de Precisão WTG-Merkblatt M3
O WTG-Merkblatt M3 fornece dois métodos principais para validar os resultados da simulação. O Método de Taxa de Acerto avalia quantos dos valores simulados Pi correspondem corretamente aos valores de referência Oi dentro de uma tolerância definida, usando uma abordagem de classificação binária (acerto ou erro). Esta abordagem avalia a confiabilidade da simulação calculando uma taxa de acerto q, semelhante às funções de confiança usadas na teoria da confiabilidade. Em contraste, o método de Erro Médio Quadrático Normalizado (e2) oferece uma avaliação de precisão mais detalhada, quantificando a desvio quadrado médio entre os valores simulados e de referência, normalizando para levar em conta as diferenças de escala. Juntos, esses métodos fornecem medidas qualitativas e quantitativas para a validação da simulação.
Resultados e Discussão
[1] VDI Richtlinie 3783 Blatt 9: Meteorologia Ambiental - Modelos de Campo de Vento Microscalar Preditores - Avaliação para o Fluxo em torno de Edifícios e Obstáculos, 2017
[2] KalWin, “Validação da previsão do campo de fluxo dentro de um ambiente urbano realista, mas idealizado com OpenFOAM”, Relatório KalWin Engineering GbR, 2022, http://www.kalwin-engineering.com/wp-content/uploads/2022/10/KalWin-Report-ValidationOkt2022.pdf