Dados de Medição para Múltiplas Estruturas

Caso de Utilizador

O exemplo seguinte descreve os ensaios 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 Caderno WTG M3. Vamos utilizar 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 Caderno WTG 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 estudos paramétricos ou preliminares quando estão planeadas investigações posteriores com maior precisão (por exemplo, exame em túnel de vento da classe G3).
• R2: Isolado: todas as direções de vento relevantes com resolução direcional suficientemente fina.
• Z2: Valores médios estatísticos e desvios-padrão: desde que envolvam processos de escoamento estacionário para os quais uma verificação estatística das flutuações com um fator de pico seja suficiente.
• S1: Efeitos estáticos: 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 foca-se num modelo de cidade idealizado, mas geometricamente detalhado, colocado num escoamento de camada limite atmosférica. As medições em túnel de vento foram realizadas na instalação WOTAN, que possui uma secção 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". Foram registados um total de 1.838 pontos de medição para várias configurações de cobertura. As componentes horizontais da velocidade dependentes do tempo, u e v, incluindo valores médios, variâncias, correlações e espectros, foram obtidas com um Anemómetro Laser-Doppler (LDA) 2D a 500-600 Hz. Os pontos de medição foram distribuídos em perfis verticais e horizontais, em desfiladeiros urbanos 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, são aplicados um desvio relativo D=0,25 e um desvio absoluto W=0,08 para ter em conta 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 Caderno WTG M3

O Caderno WTG M3 fornece dois métodos principais para validar resultados de simulação. O método da Taxa de Acerto (Hit Rate) 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 fiabilidade da simulação calculando uma taxa de acerto q, semelhante às funções de confiança utilizadas na teoria da fiabilidade. Em contraste, o método do Erro Quadrático Médio Normalizado (e²) oferece uma avaliação de precisão mais detalhada ao quantificar o desvio quadrático médio entre os valores simulados e de referência, normalizado para ter em conta as diferenças de escala. Juntos, estes métodos fornecem medidas qualitativas e quantitativas para a 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 normalizada (U/U_ref) obtidos das simulações RWIND e as medições experimentais demonstra um nível moderado de concordância em todo o conjunto de dados investigado. Foram analisados um total de 43 pontos de validação nos quais os valores de desvio variam de aproximadamente 2% a quase 50%, indicando que, embora a simulação capte a magnitude geral e a tendência do campo de velocidade, permanecem discrepâncias locais significativas em certas regiões. A análise da taxa de acerto destaca ainda mais este comportamento: apenas 18,60% dos pontos de dados se enquadram dentro de uma tolerância estrita 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 global moderado entre os valores previstos e medidos.

Espacialmente, desvios mais baixos são observados em regiões provavelmente caracterizadas por condições de escoamento mais estáveis ou colado, enquanto discrepâncias maiores ocorrem onde são esperados gradientes mais fortes ou fenómenos de escoamento complexos, como zonas de separação ou regiões de esteira. Estas diferenças podem ser atribuídas a limitações inerentes à modelação de turbulência RANS estacionária, pressupostos de funções de parede, efeitos de resolução da malha ou sensibilidade às condições de entrada. Apesar destas limitações, a simulação demonstra um desempenho adequado para análises de nível de engenharia e previsão de tendências. No entanto, para aplicações que exigem maior precisão local, pode ser necessário um maior refinamento da modelação de turbulência, da resolução da malha ou da definição das condições de fronteira.

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

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

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Michel City – Exemplo 9.4 de WTG