Verifikationsmethodik für die rechnerische Windtechnik Vorhersage von Windlasten an Tragwerken

In this thesis, a new credibility assessment framework is developed for computational wind engineering (CWE) simulations. The framework is mainly developed for testing code implementation correctness and estimation of the discretization uncertainty for eddy-resolving, and unsteady simulations. The framework is composed of two main milestones. First, a modular and flexible procedure for code verification is developed with the ability of testing black box codes. The code verification procedure focuses on the consistency of the code implementation and convergence of field variables. The procedure for code verification consists of analytical benchmarks, either exact or manufactured, with increasing complexity to test the implementation of each term in the Navier-Stokes equation. Second, the credibility assessment framework has a guideline for the quantification of discretization error/uncertainty. More precisely, guidelines are defined for solution verification. The discretization error/uncertainty estimation is based on Richardson Extrapolation approach. A solution biased uncertainty estimator is used to account for using unstructured grids, non-uniform refinement, and non-asymptotic solutions. The newly developed framework has a new definition for the measurement of grid size, handling simulation data with anomalous behavior, and for the safety factor definition in the uncertainty quantification of the discretization error. The assessment methodology is suited to both well- and ill-behaved sequences of simulations. The performance of the assessment methodology is checked with a glimpse on validation with experimental data. Finally, it can be concluded that the developed verification methodology is highly qualified to judge the quality of CWE simulations. Moreover, the generality and modularity of the framework makes it applicable to any software environment regardless of the discretization scheme. Consequently, the methodology encourages further research on the identification of the reliability of CWE simulations.In dieser Arbeit wird ein neues Rahmenwerk zur Glaubwürdigkeitsbewertung für rechnergestützte Windsimulationen (CWE) entwickelt. Der Rahmen wird hauptsächlich für die Prüfung der Korrektheit der Code-Implementierung und die Abschätzung der Diskretisierungsunsicherheit für wirbelauflösende und instationäre Simulationen entwickelt. Das Framework besteht aus zwei Hauptmeilensteinen. Erstens wird ein modulares und flexibles Verfahren zur Code-Verifikation entwickelt, das die Möglichkeit bietet, Black-Box-Codes zu testen. Das Code-Verifikationsverfahren konzentriert sich auf die Konsistenz der Code-Implementierung und die Konvergenz der Feldvariablen. Das Verfahren zur Codeverifizierung besteht aus analytischen Benchmarks, entweder exakt oder hergestellt, mit zunehmender Komplexität, um die Implementierung jedes Terms in der Navier-Stokes-Gleichung zu testen. Zweitens verfügt das Rahmenwerk zur Glaubwürdigkeitsbewertung über einen Leitfaden zur Quantifizierung von Diskretisierungsfehlern/Unsicherheiten. Genauer gesagt, werden Richtlinien für die Verifizierung der Lösung definiert. Die Schätzung des Diskretisierungsfehlers/der Unsicherheit basiert auf dem Richardson-Extrapolationsansatz. Ein lösungsverzerrter Unsicherheitsschätzer wird verwendet, um die Verwendung unstrukturierter Gitter, ungleichmäßiger Verfeinerung und nicht asymptotischer Lösungen zu berücksichtigen. Der neu entwickelte Rahmen hat eine neue Definition für die Messung der Gittergröße, die Behandlung von Simulationsdaten mit anomalem Verhalten und für die Definition des Sicherheitsfaktors bei der Unsicherheitsquantifizierung des Diskretisierungsfehlers. Die Bewertungsmethodik eignet sich sowohl für gut als auch für schlecht verhaltene Simulationsfolgen. Die Leistungsfähigkeit der Bewertungsmethodik wird mit einem Blick auf die Validierung mit experimentellen Daten überprüft. Abschließend kann festgestellt werden, dass die entwickelte Verifikationsmethodik hoch qualifiziert ist, um die Qualität von CWE-Simulationen zu beurteilen. Darüber hinaus macht die Allgemeingültigkeit und Modularität des Rahmens es für jede Softwareumgebung unabhängig vom Diskretisierungsschema anwendbar. Folglich fördert die Methodik weitere Forschungen zur Identifizierung der Zuverlässigkeit von CWE-Simulationen