Données de Mesure pour Plusieurs Structures

Récit utilisateur

L'exemple suivant décrit des essais en soufflerie menés par le laboratoire de soufflerie environnementale (Environmental Wind Tunnel Laboratory, EWTL) de l'Université de Hambourg [1] comme cas de validation dans la partie 9.4 du WTG-Merkblatt M3. Nous allons utiliser les champs de vitesse mesurés du modèle Michel City (cas BL3-3) pour valider des simulations CFD numériques dans des structures urbaines complexes. L'exemple peut appartenir au Groupe 1, selon Figure 2.2 du WTG-Merkblatt-M3, sur la base de l'étude de la valeur moyenne de la vitesse du vent :

• G2 : Valeurs absolues avec exigences de précision moyennes : Le domaine d'application peut inclure des études paramétriques ou préliminaires lorsque des investigations ultérieures avec une précision plus élevée sont prévues (par exemple, examen en soufflerie de classe G3).
• R2 : Isolé : toutes les directions de vent pertinentes avec une résolution directionnelle suffisamment fine.
• Z2 : Valeurs moyennes statistiques et écarts-types : à condition qu'ils concernent des processus d'écoulement stationnaires pour lesquels une vérification statistique des fluctuations avec un facteur de pointe est suffisante.
• S1 : Effets statiques : Ils sont suffisants pour représenter le modèle structurel avec le détail mécanique nécessaire, mais sans les propriétés de masse et d'amortissement.

1 Éléments de rugosité d’un modèle de soufflerie « Michel City » pour une simulation des flux proches du sol

2 Éléments de rugosité dans la soufflerie pour la représentation de la surface urbaine (Exemple WTG n°9.4)

Description

L'étude se concentre sur un modèle de ville idéalisé mais géométriquement détaillé, placé dans un écoulement de couche limite atmosphérique. Les mesures en soufflerie ont été réalisées dans l'installation WOTAN, qui dispose d'une section d'essai de 18 m de long, 4 m de large et 2,75-3,25 m de haut. Le champ de rugosité correspondant était caractérisé par une longueur de rugosité de z₀=1,53 m et un exposant de profil α=0,27 représentant des conditions de terrain « très rugueux ». Un total de 1 838 points de mesure a été enregistré pour plusieurs configurations de toit. Les composantes horizontales de la vitesse dépendantes du temps u et v, y compris les valeurs moyennes, les variances, les corrélations et les spectres, ont été obtenues avec un anémomètre laser Doppler 2D (LDA) à 500-600 Hz. Les points de mesure étaient répartis selon des profils verticaux et horizontaux, dans des canyons urbains et à des emplacements de répétabilité définis. Le jeu de données Michel City sert de cas de validation de référence (C5) selon la directive VDI 3783 Partie 9 [2]. Pour la validation, en plus du taux de succès, un écart relatif D=0,25 et un écart absolu W=0,08 sont appliqués pour tenir compte de la répétabilité et de l'incertitude de mesure. Ce jeu de données a été vérifié et adopté par plusieurs institutions (par exemple, KalWin [3]) à des fins de validation CFD et de comparaison de modèles.

3 Configuration du modèle RWIND des éléments de rugosité urbaine de « Michel City » pour une simulation CFD basée sur une soufflerie

Exigence de précision du WTG-Merkblatt M3

Le WTG-Merkblatt M3 fournit deux méthodes clés pour valider les résultats de simulation. La méthode du Taux de succès évalue combien de valeurs simulées P_i correspondent correctement aux valeurs de référence O_i dans une tolérance définie, en utilisant une approche de classification binaire (succès ou échec). Cette approche évalue la fiabilité de la simulation en calculant un taux de succès q, similaire aux fonctions de confiance utilisées en théorie de la fiabilité. En revanche, la méthode de l'Erreur quadratique moyenne normalisée (e²) offre une évaluation de la précision plus détaillée en quantifiant l'écart quadratique moyen entre les valeurs simulées et de référence, normalisé pour tenir compte des différences d'échelle. Ensemble, ces méthodes fournissent des mesures à la fois qualitatives et quantitatives pour la validation des simulations.

• Validation des résultats de simulation à l’aide de la méthode du taux de réussite définie dans la WTG-Merkblatt M3

• Évaluation de la précision des résultats à l'aide de l'erreur quadratique moyenne normalisée définie dans la WTG-Merkblatt M3

Résultats et discussion

La comparaison entre les valeurs de vitesse normalisées (U/U_ref) obtenues à partir des simulations RWIND et les mesures expérimentales démontre un niveau de concordance modéré sur l'ensemble des données étudiées. Un total de 43 points de validation a été analysé, pour lesquels les valeurs d'écart varient d'environ 2 % à près de 50 %, ce qui indique que si la simulation capture l'ampleur et la tendance globales du champ de vitesse, des écarts locaux restent significatifs dans certaines régions. L'analyse du taux de succès met en évidence ce comportement : seulement 18,60 % des points de données se situent dans une tolérance stricte de ±10 %, ce chiffre passant à 37,21 % lorsque la tolérance est relâchée à ±20 %. La valeur d'erreur moyenne normalisée 𝑒²=0,2498 confirme un écart global modéré entre les valeurs prédites et mesurées.

Spatialement, des écarts plus faibles sont observés dans les régions probablement caractérisées par des conditions d'écoulement plus stables ou attachées, tandis que des écarts plus importants se produisent là où des gradients plus forts ou des phénomènes d'écoulement complexes sont attendus, comme les zones de séparation ou les régions de sillage. Ces différences peuvent être attribuées aux limitations inhérentes à la modélisation de la turbulence RANS stationnaire, aux hypothèses de fonction de paroi, aux effets de résolution du maillage ou à la sensibilité aux conditions d'entrée. Malgré ces limitations, la simulation démontre une performance adéquate pour l'analyse de niveau ingénierie et la prédiction des tendances. Cependant, pour les applications nécessitant une précision locale plus élevée, un raffinement supplémentaire de la modélisation de la turbulence, de la résolution du maillage ou de la définition des conditions aux limites peut être nécessaire.

Tableau 1 : Comparaison de la vitesse normalisée (U/U_ref) entre RWIND et les données expérimentales

Tableau 2 : Métriques de validation pour la comparaison de la vitesse normalisée (U/U_ref)

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Michel City - Exemple WTG 9.4