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

História do 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 do modelo Michel City (Caso BL3-3) para validar simulações numéricas de CFD em estruturas urbanas complexas. O exemplo pode pertencer ao Grupo 1, 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 de vento relevantes com resolução direcional suficientemente fina.
• Z2: Valores médios estatísticos e desvios padrão: desde que envolvam processos de fluxo estacionários 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.

1 Elementos de rugosidade do modelo do 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 se concentra 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) em 500-600 Hz. Pontos de medição foram distribuídos em perfis verticais e horizontais, em cânions de rua, e em locais de repetibilidade definidos. O conjunto de dados do 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 contabilizar 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 de CFD e comparação de modelos.

3 Configuração do modelo RWIND de elementos de rugosidade urbana da cidade "Michel City" para simulação CFD baseada em túnel de vento

Requisito de Precisão do WTG-Merkblatt M3

O WTG-Merkblatt M3 fornece dois métodos principais para validar os resultados da 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). Essa abordagem avalia a confiabilidade da simulação calculando uma taxa de acerto q, semelhante a funções de confiança usadas na teoria da confiabilidade. Em contraste, o método do Erro Quadrático Médio Normalizado (e²) oferece uma avaliação de precisão mais detalhada ao quantificar o desvio quadrático médio entre valores simulados e de referência, normalizado para levar em conta as diferenças de escala. Juntos, esses métodos fornecem medidas qualitativas e quantitativas para validação da 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 os valores de velocidade normalizados (U/U_ref) obtidos 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 foram analisados, nos quais os valores de desvio variam de aproximadamente 2% a quase 50%, indicando que, enquanto a simulação captura a magnitude geral e a tendência 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 estrita 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 valores previstos e medidos.

Espacialmente, desvios menores são observados em regiões provavelmente caracterizadas por condições de fluxo mais estáveis ou anexadas, enquanto discrepâncias maiores ocorrem onde gradientes mais fortes ou fenômenos complexos de fluxo são esperados, como zonas de separação ou regiões de esteira. Essas diferenças podem ser atribuídas a limitações inerentes à modelagem de turbulência RANS estacionária, suposições de funções de parede, efeitos de resolução de malha ou sensibilidade às condições de fluxo 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 da 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