用户故事
在本示例中，我们将计算 东京工业大学 的平均力和力矩系数，作为一个实验例子（M0/S0），例如那些适用于基于 WTG-Merkblatt-M3 的结构设计过程的系数。
根据 WTG-Merkblatt-M3 中的图2.2，该部分结果属于组1：
- G2: 绝对值具有中等精度要求。适用范围可以包括参数或初步研究，当计划进行更高精度的后续研究时（例如，风洞检验G3类）。
- R2: 孤立，所有相关的风向具有足够细的方向分辨率。
- Z1: 统计平均值，前提是它们所涉及的是稳定的流动过程，波动（例如，由于来流湍流）可以通过其他方法充分捕获。
- S1: 静态效应。只要能以必要的机械细节表示结构模型，而不需要质量和阻尼特性的表示即可。
描述
通过研究不同平面上的空气动力学行为，该比较旨在提供对力分布的更全面理解。这样的见解对于评估模型在流动条件下的整体稳定性、空气动力性能和结构响应至关重要。风洞中再现的平均速度和湍流强度流入剖面对应于日本建筑学会（AIJ）标准中地形类别IV的一致性。某些图中提到的0.25指数在研究后被归类为印刷错误。假设的模型如图1所示：
该分析和模拟的假设在表1中总结，提供了整个研究中考虑的参数和条件的清晰概述：
表1：三维矩形模型的输入数据
| 参数 | 符号 | 值 | 单位 |
|---|---|---|---|
| 参考风速 | UH | 11 | m/s |
| 屋顶高度 | Href | 0.4 | m |
| 剖面指数 | α | 0.25 | - |
| 地形类别 | - | IV | - |
| 空气密度 – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m³ |
| 湍流模型 – RWIND | RANS K-Omega | - | - |
| 动力粘性 – RWIND | ν | 1.5×10⁻⁵ | m²/s |
| 方案顺序 – RWIND | Second | - | - |
| 目标残差 – RWIND | 10⁻⁴ | - | - |
| 残差类型 – RWIND | Pressure | - | - |
| 最少迭代次数 – RWIND | 800 | - | - |
| 边界层 – RWIND | NL | 10 | - |
| 墙函数类型 – RWIND | Enhanced / Blended | - | - |
计算网格研究
图2总结了一项网格敏感性研究，显示随着网格密度从20%增加到55%，力系数(Cf)从0.95增加到1.05，然后稳定下来。这表明当达到55%时，模拟达到网格独立性，即进一步细化不再显著改变结果。图像突出显示了网格质量在确保可靠的风模拟结果中的重要性。
此外，根据以下链接，需要进行计算网格研究：
图3展示了一张图表，将RWIND结果与实验数据进行比较，涉及根据高度绘制的标准化风速剖面。结果显示出非常好的一致性。
WTG-Merkblatt 精度要求
WTG-Merkblatt M3提供了验证模拟结果的两个关键方法。击中率 方法评估有多少模拟值 Pi 在定义的公差范围内正确匹配参考值 Oi，使用二元分类法（命中或未命中）。该方法通过计算击中率 q 来评估模拟的可靠性，类似于可靠性理论中使用的置信函数。相比之下，标准化均方误差（e2）方法通过量化模拟值与参考值之间的平均平方偏差并标准化以考虑尺度差异，提供了更详细的精度评估。这两种方法共同为模拟验证提供了定性和定量的度量。
结果与讨论
表3显示RWIND结果与WTG参考数据在标准化速度值的验证指标上非常一致。所有偏差都在可接受的范围内（低于10%），因此获得的击中率为q = 100%，而标准化均方误差 e2 = 0.00001 极低。这些结果证实了RWIND准确再现参考风剖面并满足严格的验证标准。
表3：速度剖面的验证指标
| WTG - u / uref | RWIND - u / uref | 偏差 (%) | n |
|---|---|---|---|
| 0.394 | 0.390 | 1.045 | 1.00 |
| 0.478 | 0.473 | 1.093 | 1.00 |
| 0.566 | 0.564 | 0.291 | 1.00 |
| 0.629 | 0.629 | 0.081 | 1.00 |
| 0.675 | 0.674 | 0.183 | 1.00 |
| 0.713 | 0.712 | 0.072 | 1.00 |
| 0.750 | 0.753 | 0.422 | 1.00 |
| 0.784 | 0.783 | 0.098 | 1.00 |
| 0.822 | 0.819 | 0.362 | 1.00 |
| 0.869 | 0.865 | 0.463 | 1.00 |
| 0.897 | 0.901 | 0.496 | 1.00 |
| 0.939 | 0.940 | 0.113 | 1.00 |
| 1.010 | 1.005 | 0.493 | 1.00 |
| 1.065 | 1.070 | 0.540 | 1.00 |
| 1.123 | 1.124 | 0.044 | 1.00 |
| 1.161 | 1.162 | 0.121 | 1.00 |
| 1.195 | 1.195 | 0.051 | 1.00 |
| 1.237 | 1.240 | 0.263 | 1.00 |
| 1.266 | 1.270 | 0.291 | 1.00 |
| 1.299 | 1.302 | 0.223 | 1.00 |
图4说明了如何在RWIND中定义表面区域，以准确计算暴露于风中的建筑模型每个面的力系数。三维模型具有简单的矩形形状，每个表面（前、后、左、右、上）被指定一个不同的颜色编码区域。这些区域使RWIND能够独立分析和计算每个表面的空气动力学力和压力分布。我们选择定义面区域，而不是放置大量点探针，因为RWIND可以直接确定每个定义区域的力系数。
在图4的中心，"编辑区域"窗口为区域2 – 前部作为一个例子打开。该详细输出包括关键的空气动力学参数。该区域在风向上的投影面积为0.04 m²。计算在该表面上的阻力为1.7 N，相应的力系数(Cx)为0.56。在以下公式中，某个压力区域的风力系数（空气动力学力系数）被计算为一个例子。然后可以将此值与“编辑模型数据”对话框中的信息选项卡下显示的值进行比较。
图5显示了使用k-omega湍流模型进行的高层建筑风模拟的后处理结果。在图像的右侧，比较表显示了从计算流体力学（CFD）模拟中获得的力系数与WTG指南的基准值。前表面的力系数为0.562，而WTG参考为0.540，相应的偏差为4.07%。背面由于尾流效应产生负压，表现出稍大的偏差6.09%。侧面也显示出轻微差异，偏差在3.68%到5.38%之间。值得注意的是，代表全球阻力效应的风向总力系数仅显示1.95%的偏差，强调了CFD模拟在捕捉结构整体空气动力学行为的准确性和可靠性。
下方的表格中显示了每个建筑面的实际力值（以牛顿为单位）。前表面受到正向阻力1.7 N，而后、右和左表面由于吸力和侧向阻力而产生负值。风向上的总净力为3.2 N，与网格摘要中声明的全球力输出一致。模拟使用了11 m/s的参考风速和0.04 m²的面面积。
表4显示RWIND准确复制了所有表面的WTG平均力系数，偏差范围从1.95%到6.09%不等，并且q=100%作为击中率。低标准化均方误差 e2=0.0015证实了模拟与测量结果之间的强一致性，有效地满足了验证标准。
表4：WTG与RWIND之间平均力系数的验证指标
| 力系数 | Cf,mean – WTG | Cf – RWIND – k-omega | 偏差 (%) | n |
|---|---|---|---|---|
| 前表面 | 0.540 | 0.562 | 4.07 | 1.00 |
| 后表面 | –0.528 | –0.496 | 6.09 | 1.00 |
| 右侧表面 | –0.829 | –0.860 | 3.68 | 1.00 |
| 左侧表面 | –0.847 | –0.893 | 5.38 | 1.00 |
| 风向总力 | 1.070 | 1.058 | 1.95 | 1.00 |
| 横风方向总力 | 0.018 | 0.020 | 10.00 | 1.00 |
| 风向力矩 | 0.582 | 0.520 | 10.65 | 1.00 |
| 横风方向力矩 | 0.010 | 0.0099 | 1.00 | 1.00 |
