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006077

Mahyar Kazemian，硕士

2025-10-28

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概览

A. 一般信息

B. 风流、风效应和数值模拟

C. 风力发电机组风流数值模拟指南 M3

D、关于 CFD 建模的说明

E. 流体力学计算模拟的应用

F. 文档

G. 质量保证

H. 示例

一、参考文件

H.1.7. 多结构测量数据（WTG 示例 9.4）

用户故事

以下示例描述了由汉堡大学环境风洞实验室（EWTL）进行的风洞实验[1]，作为WTG-Merkblatt M3第9.4部分中的验证案例。我们将使用Michel City模型（案例BL3-3）的测量速度字段来验证复杂城市结构中的数值CFD模拟。根据WTG-Merkblatt-M3中的图 2.2 ，本例可以属于组1，以调查平均风速值为基础：

G2： 绝对值，具有中等精度要求: 当计划进行更高精度的后续研究（例如G3类风洞实验）时，该适用范围可以包括参数或初步研究。
R2： 独立: 所有相关风向具有足够细的方向分辨率。
Z2： 统计均值和标准偏差: 仅限于涉及到的稳态流动过程，对于其中的波动进行统计验证的峰值因子已足够。
S1： 静态效应: 足以在不考虑质量和阻尼属性的情况下，以必要的力学细节来表现结构模型。

1 “米歇尔城市”风洞模型的粗糙度元件用于近地流动模拟

2 风洞粗糙度元件用于城市表面的模拟 (WTG 示例 9.4)

描述

调查的重点是位于大气边界层流中一个理想化但几何细致的城市模型。风洞测量是在WOTAN设施中进行的，其测试段长18米，宽4米，高2.75-3.25米。对应的粗糙度场特征为粗糙度长度z₀=1.53米和代表“非常粗糙”地形条件的剖面指数α=0.27。总共捕获了1,838个测量点，针对几个屋顶配置进行。使用2D激光多普勒测速仪（LDA）在500-600 Hz下获得了时间依赖的水平速度分量u和v，包括平均值、方差、相关性和谱图。测量点分布在垂直和水平剖面、街区峡谷以及定义的重复性位置。Michel City数据集作为VDI指导方针3783第9部分[2]的参考验证案例（C5）。为了验证，除了命中率，还应用了相对偏差D=0.25和绝对偏差W=0.08，以考虑重复性和测量不确定性。该数据集已被多家机构（如KalWin [3]）验证并采用用于CFD验证和模型比较。

使用 RWIND 建模“Michel City”城市粗糙度模型，进行基于风洞的 CFD 模拟

3 RWIND 模型中“米歇尔市”风洞粗糙度细分的城市元素设置

WTG-Merkblatt M3 精度要求

WTG-Merkblatt M3 提供了两种关键方法来验证模拟结果。命中率方法评估模拟值P_i在定义的公差范围内与参考值O_i的正确匹配，使用二元分类方法（命中或未命中）。通过计算类似于可靠性理论中使用的置信函数的命中率q，该方法评估模拟的可靠性。相比之下，归一化均方误差（(e²)）方法通过量化模拟值与参考值之间的平均平方偏差提供了更详细的精度评估，归一化以考虑尺度差异。结合起来，这些方法为模拟验证提供了定性和定量的衡量标准。

使用 WTG-Merkblatt M3 中定义的命中率方法验证模拟结果

使用 WTST-Merkblatt M3 中定义的归一化均方误差评估结果准确性

结果和讨论

从RWIND模拟和实验测量获得的归一化速度值（U/U_ref）之间的比较显示了所调查的数据集中适度的一致性。总共分析了43个验证点，其偏差值范围从约2%到接近50%，这表明尽管模拟捕捉到了速度场的整体大小和趋势，但在某些区域局部差异仍然显著。命中率分析进一步突出了这一行为：只有18.60%的数据点在严格的±10%公差范围内，而当放宽到±20%时增加到37.21%。归一化均方误差值e²=0.2498确认了预测值与测量值之间的总体中等偏差。

在空间上，观察到较低偏差的区域可能特征于更稳定或附着的流动条件，而在预计有强梯度或复杂流动现象的区域，例如分离区或尾流区，则会发生更大的差异。这些差异可能归因于稳态RANS湍流建模、壁面函数假设、网格分辨率效果或对入流条件的敏感性所固有的局限性。尽管存在这些局限性，模拟显示出对工程级分析和趋势预测的适当性能。然而，对于需要更高局部精度的应用，可能有必要进一步完善湍流建模、网格分辨率或边界条件定义。

表1：RWIND与实验数据之间归一化速度（U/U_ref）的比较

X	Y	Z	U/Uref – RWIND	U/Uref – 实验	偏差 (%)
-67.25	-41.76	2	0.113	0.0942	16.64
-70.41	-27.84	2	0.120	0.0787	34.42
-73.58	-13.92	2	0.096	0.0693	27.81
-76.75	0	2	0.098	0.0959	2.14
-63.23	0	2	0.144	0.1305	9.38
-61.71	-12	2	0.134	0.1285	4.10
-59.44	-21.99	2	0.113	0.1399	23.81
-57.17	-31.98	2	0.124	0.1385	11.69
-56.89	-44.45	2	0.158	0.1186	24.94
-46.54	-47.15	2	0.149	0.1393	6.51
-48.19	-23.16	2	0.117	0.156	33.33
-48.19	-12	2	0.105	0.154	46.67
-49.71	0	2	0.177	0.1347	23.90
-36.19	0	2	0.117	0.1547	32.22
-36.19	-16.61	2	0.210	0.1633	22.24
31.81	127.75	2	0.091	0.086	5.49
58.81	119.75	2	0.096	0.093	3.13
72.31	127.75	2	0.065	0.0558	14.15
72.31	115.54	2	0.082	0.0423	48.41
85.81	118.91	2	0.149	0.0748	49.80
85.81	127.75	2	0.192	0.0978	49.06
-149.89	-124.58	2	0.103	0.1115	8.25
-156.52	-106.63	2	0.632	0.4036	36.15
-142.43	-99.38	2	0.658	0.334	49.24
-141.58	-112.44	2	0.476	0.4192	11.93
-130.02	-143.76	2	0.117	0.1723	47.26
-119.53	-120.2	2	0.313	0.384	22.68
-127.31	-105.09	2	0.634	0.3833	39.54
-114.27	-84.87	2	0.119	0.0894	24.87
-105.26	-112.85	2	0.466	0.3084	33.82
-100.19	-77.62	2	0.174	0.1187	31.78
-36.27	-94.25	2	0.483	0.2455	49.17
-35.24	-109.91	2	0.249	0.2782	11.73
-48.97	-103.35	2	0.366	0.2337	36.15
-55.52	-120.02	2	0.220	0.284	29.09
-69.23	-113.45	2	0.265	0.2553	3.66
-103.49	-58.25	2	0.270	0.1459	45.96
-118.54	21.4	2	0.024	0.0224	6.67
-121.46	20.73	2	0.062	0.0361	41.77
-120.54	30.17	2	0.117	0.0952	18.63
-117.61	30.84	2	0.139	0.0896	35.53
-122.53	38.95	2	0.170	0.0907	46.65
-125.45	38.28	2	0.158	0.1128	28.61