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L'esempio seguente descrive gli esperimenti nella galleria del vento condotti dall'Environmental Wind Tunnel Laboratory (EWTL) dell'Università di Amburgo [1] come caso di validazione nella Parte 9.4 del WTG-Merkblatt M3. Utilizzeremo i campi di velocità misurati del modello Michel City (Caso BL3-3) per convalidare le simulazioni CFD numeriche in strutture urbane complesse. L'esempio può appartenere al Gruppo 1, secondo Figura 2.2 nel WTG-Merkblatt-M3, basato sull'indagine del valore medio della velocità del vento:
- G2: Valori assoluti con requisiti di precisione medi: L'area di applicazione può includere studi parametrici o preliminari quando sono pianificate indagini successive con maggiore precisione (ad esempio, esame in galleria del vento di classe G3).
- R2: Singolo: tutte le direzioni del vento rilevanti con una risoluzione direzionale sufficientemente fine.
- Z2: Valori medi statistici e deviazioni standard: a condizione che coinvolgano processi di flusso stazionari per i quali è sufficiente una verifica statistica delle fluttuazioni con un fattore di picco.
- S1: Effetti statici: Sono sufficienti per rappresentare il modello strutturale con il necessario dettaglio meccanico, ma senza proprietà di massa e smorzamento.
Descrizione
L'indagine si concentra su un modello di città idealizzato ma geometricamente dettagliato, posizionato in un flusso dello strato limite atmosferico. Le misurazioni nella galleria del vento sono state eseguite nell'impianto WOTAN, caratterizzato da una sezione di prova lunga 18 m, larga 4 m e alta 2,75-3,25 m. Il corrispondente campo di rugosità era caratterizzato da una lunghezza di rugosità z0=1,53 m e un esponente del profilo α=0,27, rappresentativo di condizioni di terreno "molto accidentato". Sono stati registrati un totale di 1.838 punti di misurazione per diverse configurazioni del tetto. Le componenti della velocità orizzontale dipendenti dal tempo u e v, inclusi valori medi, varianze, correlazioni e spettri, sono state ottenute con un anemometro Laser-Doppler 2D (LDA) a 500-600 Hz. I punti di misurazione sono stati distribuiti in profili verticali e orizzontali, nei canyon stradali e in posizioni definite di ripetibilità. Il set di dati Michel City funge da caso di validazione di riferimento (C5) secondo la Linea Guida VDI 3783 Parte 9 [2]. Per la validazione, oltre all'hit ratio, vengono applicate una deviazione relativa D=0,25 e una deviazione assoluta W=0,08 per tenere conto della ripetibilità e dell'incertezza di misurazione. Questo set di dati è stato verificato e adottato da diverse istituzioni (ad esempio, KalWin [3]) per scopi di validazione CFD e confronto tra modelli.
Requisito di Precisione del WTG-Merkblatt M3
Il WTG-Merkblatt M3 fornisce due metodi chiave per convalidare i risultati della simulazione. Il metodo Hit Rate valuta quanti dei valori simulati Pi corrispondono correttamente ai valori di riferimento Oi entro una tolleranza definita, utilizzando un approccio di classificazione binaria (hit o miss). Questo approccio valuta l'affidabilità della simulazione calcolando un hit rate q, simile alle funzioni di confidenza utilizzate nella teoria dell'affidabilità. Al contrario, il metodo dell'Errore Quadratico Medio Normalizzato (e2) offre una valutazione dell'accuratezza più dettagliata, quantificando la deviazione quadratica media tra i valori simulati e quelli di riferimento, normalizzata per tenere conto delle differenze di scala. Insieme, questi metodi forniscono misure sia qualitative che quantitative per la validazione della simulazione.
Risultati e Discussione
Il confronto tra i valori di velocità normalizzati (U/Uref) ottenuti dalle simulazioni RWIND e le misurazioni sperimentali dimostra un livello moderato di accordo attraverso il set di dati investigato. Sono stati analizzati un totale di 43 punti di validazione, nei quali i valori di deviazione variano da circa il 2% a quasi il 50%, indicando che mentre la simulazione cattura l'ampiezza e la tendenza complessive del campo di velocità, le discrepanze locali rimangono significative in alcune regioni. L'analisi dell'hit ratio evidenzia ulteriormente questo comportamento: solo il 18,60% dei punti dati rientra in una tolleranza ristretta del ±10%, aumentando al 37,21% quando la tolleranza viene ampliata al ±20%. Il valore dell'errore medio normalizzato 𝑒2=0,2498 conferma una deviazione complessiva moderata tra i valori previsti e quelli misurati.
Spazialmente, deviazioni inferiori si osservano in regioni probabilmente caratterizzate da condizioni di flusso più stabili o attaccato, mentre discrepanze maggiori si verificano dove sono attesi gradienti più forti o fenomeni di flusso complessi, come zone di separazione o regioni di scia. Queste differenze possono essere attribuite a limitazioni intrinseche della modellazione della turbolenza RANS stazionaria, alle ipotesi delle funzioni di parete, agli effetti della risoluzione della mesh o alla sensibilità alle condizioni di ingresso. Nonostante queste limitazioni, la simulazione dimostra prestazioni adeguate per l'analisi a livello ingegneristico e la previsione delle tendenze. Tuttavia, per applicazioni che richiedono una maggiore accuratezza locale, può essere necessario un ulteriore affinamento della modellazione della turbolenza, della risoluzione della mesh o della definizione delle condizioni al contorno.
Tabella 1: Confronto della velocità normalizzata (U/Uref) tra RWIND e dati sperimentali
| X | Y | Z | U/Uref – RWIND | U/Uref – Sperimentale | Deviazione (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| -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 |
Tabella 2: Metriche di validazione per il confronto della velocità normalizzata (U/Uref)
| Metrica | Valore |
|---|---|
| Numero totale di punti dati (N) | 43 |
| Hit Rate q (tolleranza 10%) | 18,60% |
| Hit Rate q (tolleranza 20%) | 37,21% |
| Forma di deviazione dell'errore medio (e²) | 0,2498 |
