H.1.7. Данные измерений для нескольких конструкций (пример WTG 9.4)

Пользовательская история

Пример ниже описывает эксперименты в аэродинамической трубе, проведенные Лабораторией аэродинамической трубы окружающей среды (EWTL) в Университете Гамбурга [1] в качестве случая валидации в части 9.4 WTG-Меркблата M3. Мы собираемся использовать измеренные поля скоростей и данные шероховатости модели города Мишель (случай BL3-3) для валидации численных CFD-симуляций в сложных городских структурах. Этот пример может относиться к Группе 2, согласно Рисунок 2.2 в WTG-Меркблате-M3, основанным на исследовании среднего значения скорости ветра:

• G2: Абсолютные значения со средними требованиями к точности: Область применения может включать параметры или предварительные исследования, когда далее планируются более точные исследования (например, исследования в аэродинамической трубе класса G3).
• R2: Солитарный: все актуальные направления ветра с достаточной тонкой направленной разрешающей способностью.
• Z2: Статистические средние значения и стандартные отклонения: при условии, что они связаны с стационарными процессами потока, для которых достаточна статистическая проверка отклонений с пиковым фактором.
• S1: Статические эффекты: Они достаточны для представления структурной модели с необходимыми механическими деталями, но без учета массы и демпфирующих свойств.

1 Элементы шероховатости модели «Мишель Сити» для имитации потоков вблизи земли

2 Элементы шероховатости в аэродинамической трубе для представления городской поверхности (Пример WTG 9.4)

Описание

Исследование сосредоточено на идеализированной, но геометрически детализированной модели города, размещенной в потоке в атмосферном пограничном слое. Измерения в аэродинамической трубе были выполнены на установке WOTAN, имеющей испытательный участок длиной 18 м, шириной 4 м и высотой 2.75-3.25 м. Соответствующее поле шероховатости характеризовалось длиной шероховатости z₀=1.53 м и профильным показателем α=0.27, представляющим "очень грубые" условия террейна. Всего было записано 1838 точек измерения для нескольких конфигураций крыш. Зависимые от времени горизонтальные компоненты скорости u и v, включая средние значения, вариации, корреляции и спектры, были получены с помощью 2D лазерно-допплеровского анемометра (LDA) на частоте 500-600 Гц. Точки измерения были распределены по вертикальным и горизонтальным профилям, в уличных каньонах и в определенных повторяемых местах. Набор данных Michel City служит валидационным случаем (C5) согласно Руководству VDI 3783 Часть 9 [2]. Для валидации, помимо коэффициента попадания, применяется относительное отклонение D=0.25 и абсолютное отклонение W=0.08 для учета повторяемости и неопределенности измерений. Этот набор данных был проверен и принят несколькими учреждениями (например, KalWin [3]) для целей валидации CFD и сравнительного анализа моделей.

3 Создание модели в RWIND с элементами шероховатости города «Мишель» для моделирования потока в аэродинамической трубе

Требования к точности WTG-Меркблата M3

WTG-Меркблат M3 предоставляет два ключевых метода для валидации результатов симуляций. Метод Коэффициент попадания оценивает, сколько из смоделированных значений P_i правильно соответствует эталонным значениям O_i в пределах определенной толерантности, используя бинарный классификационный подход (попадание или промах). Этот подход оценивает надежность симуляции, рассчитывая коэффициент попадания q, подобный функциям доверия, используемым в теории надежности. В противоположность этому, метод Нормализованная среднеквадратичная ошибка (e²) предлагает более детальную оценку точности, количественно оценивая среднее квадратичное отклонение между смоделированными и эталонными значениями, нормализованное для учета различий в масштабе. Вместе эти методы предоставляют как качественную, так и количественную меру для валидации симуляции.

• Валидация результатов моделирования методом определения точности, описанным в WTG-Merkblatt M3

• Оценка точности результатов с использованием нормированной средней квадратичной ошибки, определённой в WTG-Merkblatt M3

Результаты и обсуждение

Сравнение нормализованных значений скорости (U/U_ref), полученных из симуляций RWIND и экспериментальных измерений, демонстрирует умеренный уровень согласованности по всему исследуемому набору данных. Было проанализировано в общей сложности 43 валидационных точки, при этом значения отклонений колебались от примерно 2% до почти 50%, указывая на то, что, хотя симуляция захватывает общую величину и тренд поля скорости, локальные расхождения остаются значительными в некоторых регионах. Анализ коэффициента попадания дополнительно подчеркивает это поведение: только 18.60% данных точек попадают в строгую ±10% толерантность, увеличиваясь до 37.21% при ослаблении толерантности до ±20%. Значение нормализованной средней ошибки 𝑒²=0.2498 подтверждает умеренное общее отклонение между предсказанными и измеренными значениями.

Пространственно, более низкие отклонения наблюдаются в регионах, которые, вероятно, характеризуются более стабильными или привязанными условиями потока, в то время как более значимые расхождения возникают там, где ожидаются более сильные градиенты или сложные феномены потока, такие как зоны разделения или области вихрей. Эти различия могут объясняться ограничениями, присущими моделированию турбулентности RANS, предположениями о функции стенки, эффектами разрешающей способности сетки или чувствительностью к входным условиям. Несмотря на эти ограничения, симуляция демонстрирует адекватную производительность для анализа инженерного уровня и прогнозирования тренда. Однако для приложений, требующих более высокой локальной точности, может потребоваться дальнейшее уточнение моделирования турбулентности, разрешающей способности сетки или определения граничных условий.

Таблица 1: Сравнение нормализованной скорости (U/U_ref) между RWIND и экспериментальными данными

Таблица 2: Валидационные метрики для сравнения нормализованной скорости (U/U_ref)

89x

13x

Michels Stadt - Пример WTG 9.4