Mahyar Kazemian, M.Sc.

2026-07-10

多结构测量数据

用户案例

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]，该实验作为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）的实测速度场，来验证复杂城市结构中的数值CFD模拟。根据 WTG-Merkblatt-M3 中图 2.2 的规定，基于对平均风速值的研究，此示例可归于第1组：

G2：中等精度要求的绝对值：应用范围可包括参数研究或初步研究，前提是后续计划进行更高精度的研究（例如，G3级的风洞试验）。
R2：单一风向：所有相关的风向，且具有足够精细的方向分辨率。
Z2：统计平均值和标准差：前提是它们涉及稳态流动过程，对此类过程，使用峰值因子对脉动进行统计验证是足够的。
S1：静态效应：它们足以用必要的力学细节来表示结构模型，但不包括质量和阻尼特性。

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)

说明

研究的重点是放置在大气边界层流中的一个理想化但几何细节详尽的城市模型。风洞测量在WOTAN设备中进行，该设备具有一个长18米、宽4米、高2.75-3.25米的试验段。相应的粗糙度场特征为粗糙度长度 z₀=1.53 m 和代表"非常粗糙"地形条件的廓线指数 α=0.27。针对几种屋顶配置，共记录了1,838个测量点。随时间变化的水平速度分量 u 和 v，包括平均值、方差、相关性和频谱，均使用二维激光多普勒测速仪（LDA）以 500-600 Hz 的频率获取。测量点分布在垂直和水平剖面、街道峡谷以及定义的重复性位置。Michel City 数据集可作为 VDI 指南 3783 第9部分[2]的参考验证案例（C5）。为了进行验证，除了命中率之外，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。该数据集已由多个机构（例如，KalWin [3]）核实并采用，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 提供了两种验证模拟结果的关键方法。命中率方法使用二元分类法（命中或未命中），评估模拟值 P_i 在定义的容差范围内与参考值 O_i 正确匹配的数量。该方法通过计算命中率 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，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（经过归一化以考虑尺度差异），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

结果与讨论

将 RWIND 模拟获得的归一化速度值 (U/U_ref) 与实验测量值进行比较，结果显示在调查的数据集中具有中等程度的一致性。分析了总共43个验证点，其偏差值范围从约2%到近50%，这表明虽然模拟捕捉到了速度场的总体量级和趋势，但在某些区域的局部差异仍然显著。命中率分析进一步突显了这一行为：在严格的±10%容差范围内，只有18.60%的数据点命中，而当容差放宽到±20%时，命中率增加到37.21%。归一化平均误差值 𝑒²=0.2498 证实了预测值与测量值之间存在中等的总体偏差。

在空间上，在可能以更稳定或附着流条件为特征的区域观察到的偏差较小，而在可能出现更强梯度或复杂流动现象的区域（如分离区或尾流区）则出现了较大的差异。这些差异可能归因于稳态 RANS 湍流模型的固有局限性、壁面函数假设、网格分辨率影响或对入流条件的敏感性。尽管存在这些局限性，该模拟在工程级分析和趋势预测方面表现出了足够的性能。然而，对于需要更高局部精度的应用，可能需要进一步改进湍流模型、网格分辨率或边界条件定义。

表1：RWIND与实验数据的归一化速度 (U/U_ref) 比较

X	Y	Z	U/Uref – RWIND	U/Uref – 实验值	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

表2：归一化速度 (U/U_ref) 比较的验证指标

指标	数值
数据点总数 (N)	43
命中率 q (10% 容差)	18.60%
命中率 q (20% 容差)	37.21%
平均误差的偏差形式 (e²)	0.2498

米歇尔城 - WTG 示例 9.4

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