Mahyar Kazemian, M.Sc.

2026-07-10

Dane pomiarowe dla wielu konstrukcji

Opis przypadku

Poniższy przykład opisuje eksperymenty w tunelu aerodynamicznym przeprowadzone przez Environmental Wind Tunnel Laboratory (EWTL) na Uniwersytecie w Hamburgu [1] jako przypadek walidacyjny w części 9.4 wytycznych WTG-Merkblatt M3. Wykorzystamy zmierzone pola prędkości dla modelu Michel City (przypadek BL3-3) do walidacji numerycznych symulacji CFD w złożonych strukturach miejskich. Przykład ten, na podstawie badania średniej wartości prędkości wiatru, może należeć do Grupy 1, zgodnie z Rysunek 2.2 w WTG-Merkblatt-M3:

G2: Wartości bezwzględne o średnich wymaganiach dotyczących dokładności: Obszar zastosowania może obejmować badania parametryczne lub wstępne, gdy planowane są późniejsze analizy z wyższą dokładnością (np. badania w tunelu aerodynamicznym klasy G3).
R2: Pojedynczy: wszystkie istotne kierunki wiatru z odpowiednio dokładną rozdzielczością kierunkową.
Z2: Statystyczne wartości średnie i odchylenia standardowe: pod warunkiem, że dotyczą stacjonarnych procesów przepływu, dla których wystarczająca jest statystyczna weryfikacja fluktuacji za pomocą współczynnika szczytowego.
S1: Efekty statyczne: Są one wystarczające do odwzorowania modelu konstrukcji z niezbędną szczegółowością mechaniczną, ale bez właściwości masowych i tłumiących.

Elementy chropowatości w modelu tunelu aerodynamicznego „Michel City” do symulacji przepływu przy gruncie

1 Elementy chropowatości modelu miasta Michel do symulacji przepływu w pobliżu gruntu

Elementy szorstkości tunelu aerodynamicznego do modelowania powierzchni miejskiej (przykład WTG 9.4)

2 Elementy szorstkości tunelu aerodynamicznego do wizualizacji powierzchni miejskiej (przykład WTG 9.4)

Opis

Badanie koncentruje się na wyidealizowanym, ale geometrycznie szczegółowym modelu miasta umieszczonym w przepływie w atmosferycznej warstwie granicznej. Pomiary w tunelu aerodynamicznym przeprowadzono w obiekcie WOTAN, wyposażonym w sekcję pomiarową o długości 18 m, szerokości 4 m i wysokości od 2,75 do 3,25 m. Odpowiednie pole chropowatości charakteryzowało się długością chropowatości z₀=1,53 m oraz wykładnikiem profilu α=0,27, reprezentującym warunki terenowe "bardzo szorstkie". Dla kilku konfiguracji dachów zarejestrowano łącznie 1838 punktów pomiarowych. Zależne od czasu składowe poziome prędkości u i v, wraz z wartościami średnimi, wariancjami, korelacjami i widmami, uzyskano za pomocą anemometru laserowego Dopplera (LDA) 2D przy częstotliwości 500-600 Hz. Punkty pomiarowe rozmieszczono w profilach pionowych i poziomych, w kanionach ulicznych oraz w zdefiniowanych lokalizacjach do sprawdzenia powtarzalności. Zestaw danych Michel City służy jako referencyjny przypadek walidacyjny (C5) zgodnie z wytyczną VDI 3783, część 9 [2]. Do walidacji, oprócz współczynnika trafień, stosuje się odchylenie względne D=0,25 i odchylenie bezwzględne W=0,08, aby uwzględnić powtarzalność i niepewność pomiaru. Ten zestaw danych został zweryfikowany i przyjęty przez kilka instytucji (np. KalWin [3]) do celów walidacji CFD i porównywania modeli.

Ustawienie modelu RWIND elementów szorstkości "Michel City" dla symulacji CFD opartej na tunelu aerodynamicznym

3 Konfiguracja modelu RWIND elementów szorstkości terenu Michel City dla symulacji CFD opartej na tunelu aerodynamicznym

Wymagania dokładnościowe WTG-Merkblatt M3

Wytyczne WTG-Merkblatt M3 podają dwie kluczowe metody walidacji wyników symulacji. Metoda Współczynnika Trafień (Hit Rate) ocenia, ile symulowanych wartości P_i poprawnie odpowiada wartościom referencyjnym O_i w określonej tolerancji, stosując podejście klasyfikacji binarnej (trafienie lub chybienie). Podejście to ocenia niezawodność symulacji poprzez obliczenie współczynnika trafień q, podobnie jak funkcje ufności stosowane w teorii niezawodności. Dla kontrastu, metoda Znormalizowanego Błędu Średniokwadratowego (e²) oferuje bardziej szczegółową ocenę dokładności, kwantyfikując średnie odchylenie kwadratowe między wartościami symulowanymi a referencyjnymi, znormalizowane w celu uwzględnienia różnic skali. Razem metody te dostarczają zarówno jakościowych, jak i ilościowych miar do walidacji symulacji.

Weryfikacja wyników symulacji przy zastosowaniu metody elementów skończonych zdefiniowanej w WTG-Merkblatt M3

Ocena dokładności wyników przy użyciu znormalizowanego średniego błędu kwadratowego zdefiniowanego w WTG-Merkblatt M3

Wyniki i dyskusja

Porównanie znormalizowanych wartości prędkości (U/U_ref) uzyskanych z symulacji RWIND i pomiarów eksperymentalnych wykazuje umiarkowany poziom zgodności w analizowanym zbiorze danych. Przeanalizowano łącznie 43 punkty walidacyjne, w których wartości odchyleń mieszczą się w zakresie od około 2% do niemal 50%, co wskazuje, że chociaż symulacja oddaje ogólną wielkość i trend pola prędkości, lokalne rozbieżności pozostają znaczące w pewnych obszarach. Analiza współczynnika trafień dodatkowo podkreśla to zachowanie: tylko 18,60% punktów danych mieści się w ścisłej tolerancji ±10%, a odsetek ten wzrasta do 37,21%, gdy tolerancja zostanie złagodzona do ±20%. Znormalizowana wartość błędu średniego 𝑒²=0.2498 potwierdza umiarkowane ogólne odchylenie między wartościami przewidywanymi a zmierzonymi.

Przestrzennie, mniejsze odchylenia obserwuje się w regionach charakteryzujących się prawdopodobnie bardziej stabilnymi lub przylegającymi warunkami przepływu, podczas gdy większe rozbieżności występują tam, gdzie spodziewane są silniejsze gradienty lub złożone zjawiska przepływowe, takie jak strefy separacji czy obszary kilwateru. Różnice te można przypisać ograniczeniom właściwym dla stacjonarnego modelowania turbulencji RANS, założeniom funkcji ściany, efektom rozdzielczości siatki czy wrażliwości na warunki brzegowe napływu. Pomimo tych ograniczeń, symulacja wykazuje wystarczającą wydajność do analiz na poziomie inżynierskim i przewidywania trendów. Jednak w zastosowaniach wymagających wyższej dokładności lokalnej, konieczne może być dalsze udoskonalenie modelowania turbulencji, rozdzielczości siatki lub definicji warunków brzegowych.

Tabela 1: Porównanie Znormalizowanej Prędkości (U/U_ref) między danymi RWIND i Eksperymentalnymi

X	Y	Z	U/Uref – RWIND	U/Uref – Eksperyment	Odchylenie (%)
-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

Tabela 2: Metryki Walidacji dla Porównania Znormalizowanej Prędkości (U/U_ref)

Metryka	Wartość
Całkowita liczba punktów danych (N)	43
Współczynnik Trafień q (10% tolerancji)	18.60%
Współczynnik Trafień q (20% tolerancji)	37.21%
Odchylenie w Postaci Błędu Średniego (e²)	0.2498

Michel City – przykład WTG 9.4

;