Данные измерений для нескольких конструкций

Пользовательская история

Следующий пример описывает эксперименты в аэродинамической трубе, проведенные Лабораторией экологической аэродинамики (EWTL) Гамбургского университета [1] в качестве валидационного случая в части 9.4 WTG-Merkblatt M3. Мы будем использовать измеренные поля скоростей модели Michel City (случай BL3-3) для валидации численного CFD-моделирования в сложных городских структурах. Пример может относиться к Группе 1, согласно Рисунок 2.2 в WTG-Merkblatt-M3, на основе исследования средней скорости ветра:

• G2: Абсолютные значения со средними требованиями к точности: Область применения может включать параметрические или предварительные исследования, когда позже планируются исследования с более высокой точностью (например, испытания в аэродинамической трубе класса G3).
• R2: Изолированный: все соответствующие направления ветра с достаточно мелким угловым разрешением.
• Z2: Статистические средние значения и стандартные отклонения: при условии, что они относятся к стационарным процессам течения, для которых достаточно статистической оценки флуктуаций с пиковым фактором.
• S1: Статические воздействия: Их достаточно для представления расчетной модели с необходимой механической детализацией, но без учета свойств массы и демпфирования.

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

2 Элементы шороховатости ветродорожной аэродинамической трубы для представления городских поверхностей

Описание

Исследование сосредоточено на идеализированной, но геометрически детальной модели города, помещенной в поток атмосферного пограничного слоя. Измерения в аэродинамической трубе проводились на установке WOTAN, имеющей рабочую секцию длиной 18 м, шириной 4 м и высотой 2,75-3,25 м. Соответствующее поле шероховатости характеризовалось длиной шероховатости z₀=1,53 м и показателем профиля α=0,27, представляющим условия "очень пересеченной" местности. В общей сложности было зарегистрировано 1838 точек измерений для нескольких конфигураций крыш. Зависящие от времени горизонтальные компоненты скорости u и v, включая средние значения, дисперсии, корреляции и спектры, были получены с помощью 2D лазерно-доплеровского анемометра (LDA) при частоте 500-600 Гц. Точки измерения были распределены по вертикальным и горизонтальным профилям, в уличных каньонах и в определенных местах проверки повторяемости. Набор данных Michel City служит эталонным валидационным случаем (C5) в соответствии с Руководством VDI 3783 Часть 9 [2]. Для валидации, помимо коэффициента попадания, применяются 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 сравнения моделей.

3 Настройка модели RWIND для городских элементов шероховатости «Мишель-Сити» для имитационного моделирования в аэродинамической трубе с помощью CFD

Требование к точности WTG-Merkblatt M3

WTG-Merkblatt M3 предоставляет два ключевых метода для валидации результатов моделирования. Метод Коэффициента Попадания (Hit Rate) оценивает, сколько смоделированных значений P_i правильно соответствуют эталонным значениям O_i в пределах заданного допуска, используя подход бинарной классификации (попадание или промах). Этот подход оценивает надежность моделирования путем расчета коэффициента попадания q, аналогично функциям доверия, используемым в теории надежности. Напротив, метод Нормализованной Среднеквадратической Ошибки (e²) предлагает более детальную оценку точности путем количественного определения среднего квадрата отклонения между смоделированными и эталонными значениями, нормализованного для учета различий в масштабе. Вместе эти методы обеспечивают как качественные, так и количественные показатели для валидации моделирования.

• 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 в результате моделирования RWIND и экспериментальных измерений, демонстрирует средний уровень соответствия по всему исследованному набору данных. Было проанализировано 43 валидационные точки, в которых значения отклонений варьируются от примерно 2% до почти 50%, что указывает на то, что, хотя моделирование отражает общую величину и тенденцию поля скорости, локальные расхождения остаются значительными в определенных областях. Анализ коэффициента попадания дополнительно подчеркивает это поведение: только 18,60% точек данных попадают в строгий допуск ±10%, увеличиваясь до 37,21% при ослаблении допуска до ±20%. Значение нормализованной средней ошибки 𝑒²=0,2498 подтверждает умеренное общее отклонение между прогнозируемыми и измеренными значениями.

В пространственном отношении меньшие отклонения наблюдаются в областях, вероятно, характеризующихся более стабильными или безотрывными условиями обтекания, тогда как большие расхождения возникают там, где ожидаются более сильные градиенты или сложные явления течения, такие как зоны отрыва или вихревые следы. Эти различия могут быть связаны с ограничениями, присущими стационарному моделированию турбулентности на основе RANS, допущениями о пристеночных функциях, влиянием разрешения сетки или чувствительностью к условиям на входе. Несмотря на эти ограничения, моделирование демонстрирует приемлемую производительность для инженерного анализа и прогнозирования тенденции. Однако для приложений, требующих более высокой локальной точности, может потребоваться дальнейшее уточнение модели турбулентности, разрешения 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)

4x

0x

Michels Stadt - Пример WTG 9.4