Zatížení větrem působící na výškovou budovu

Odborný článek

Tato studie porovnává tlak větru na výškovou budovu stanovený výpočtem v programu RWIND Simulation s výsledky, které zveřejnili Dagnew a kol. na 11. Americké konferenci větrného inženýrství (ACWE) v červnu 2009. V našem příspěvku porovnáme výsledné hodnoty působení větru na budovu CAARC (Commonwealth Advisory Aeronautical Council) stanovené různými numerickými metodami s experimentálními údaji založenými na testech v aerodynamickém tunelu.

Program RWIND Simulation slouží v první řadě k rychlým výpočtům také u poměrně složitých a rozsáhlých modelů. Při standardním nastavení v tomto programu lze na běžném počítači výsledky vypočítat během 5 minut. Stanovené výsledky se poměrně dobře shodují se zveřejněnými výsledky ve výše uvedeném článku [1] a podrobněji je popisujeme níže.

Oblast výpočtu a síť

Budova CAARC má tvar obdélníkového hranolu o rozměrech 45,72 x 30,48 x 182,88 m. Aerodynamický tunel, v kterém je model budovy umístěn, má celkovou výšku 365,76 m a dosahuje ve směru proudění délky 1508,76 m a šířky 914,4 m.

Obr. 01 - Model a oblast výpočtu

Síť konečných objemů s 540 180 buňkami byla lokálně zjemněna v blízkosti modelu budovy. Díky poměrně hrubé síti probíhá výpočet rychle. RWIND Simulation umožňuje ovšem zadat pro oblast výpočtu jemnější síť (do 50 milionů buněk).

Nastavení simulace

Obecné parametry pro simulaci a rychlostní profil větru na vstupu se stanoví podle Dagnewa a kol. [1]. Jsou znázorněny na obr. 02.

Obr. 02 - Obecné parametry pro simulaci a rychlostní profil větru na vstupu

U modelu jsou definovány následující okrajové podmínky:

ParametryHorní, levá a pravá strana tuneluVstupVýstupStěny a spodní strana budovy
RychlostProkluzRychlostní profil větruNulový gradient0 m/s
TlakNulový gradient0 PaNulový gradientNulový gradient
Intenzita turbulence-0,15 %--

Pro zachycení účinku turbulence použijeme k-ε model s intenzitou turbulence 0,15 %.

Obr. 03 - Model turbulence

Výpočet

Výpočet byl proveden pomocí řešiče RWIND Simulation, který vychází z rodiny řešičů OpenFOAM - SIMPLE. Jedná se o stacionární řešič pro nestlačitelné turbulentní proudění. Celý proces simulace, včetně generování sítě a zpracování výsledků, byl na 8jádrovém počítači (Intel i9-9900K) dokončen během 5 minut. Jako kritérium konvergence, které bylo dosaženo po 350 iteracích, byl nastaven zbytkový tlak na standardní hodnotu 0,001. Pokud ve výpočtu pokračujeme, lze dosáhnout minimálního zbytkového tlaku 0,0001 po 700 iteracích. Výsledky se ovšem výrazně neliší od výsledků při větším zbytkovém tlaku.

Obr. 04 - Průběh konvergence

Výsledky

Na obr. 05 až 07 je znázorněno rozdělení tlaku na povrchu budovy a rychlostní pole okolo budovy. Pro ověření a srovnání porovnáme vypočítaný součinitel tlaku cp s údaji z [1] na obr. 09 až 11. Součinitel tlaku cp se stanoví z výrazu:

${\mathrm c}_{\mathrm p}\;=\;\frac{\mathrm p\;-\;{\mathrm p}_\infty}{\displaystyle\frac12\;\cdot\;\mathrm\rho\;\cdot\;\mathrm v_{\mathrm H}^2}$
kde
p ... statický tlak v bodě vyhodnocení součinitele tlaku
p ... statický tlak ve volném proudu (zde p = 0 Pa)
ρ ... hustota vzduchu (zde ρ = 1,2 kg/m³)
vH ... rychlost volného proudu ve výšce střechy (zde vH = 12,7 m/s)

Na návětrné straně se výsledky programu RWIND Simulation téměř shodují s výsledky experimentálních testů Dagnewa a kol. [1]. Na bočních plochách a na závětrné straně lze zaznamenat odchylky 10 až 20 % mezi naměřenými a vypočítanými hodnotami, což lze vysvětlit použitým modelem turbulence (k-epsilon) a poměrně hrubou sítí. Přesnějších výsledků můžeme dosáhnout, pokud použijeme přesnější model turbulence (LES), který je nyní implementován do programu RWIND Simulation a bude k dispozici v budoucích verzích programu RWIND Simulation.

Výsledky programu RWIND Simulation:

Obr. 05 - Rozdělení tlaku na povrchu budovy

Obr. 06 - Rychlostní pole ve svislém řezu

Obr. 07 - Rychlostní pole ve vodorovném řezu ve 2/3 výšky budovy

Porovnání s údaji a výsledky z [1]:

Obr. 08 - Linie vyhodnocení

Obr. 09 - Spočítané součinitele tlaku cp po obvodu budovy ve výšce z = 2/3 H. Porovnání s výsledky zveřejněnými v [1], stanovenými jinými numerickými metodami

Obr. 10 - Grafické rozdělení součinitelů tlaku Cp na návětrné straně

Obr. 11 - Grafické rozdělení součinitelů tlaku cp na závětrné straně

Klíčová slova

návětrná strana závětrná strana volný proud proud větru k-epsilon LES zatížení větrem ověření

Literatura

[1]   Dagnew, A. K.; Bitsuamalk, G. T.; Merrick, R.: Computational evaluation of wind pressures on tall buildings. 11th Americas Conference on Wind Engineering | International Association for Wind Engineering, 2009

Ke stažení

Odkazy

Kontakt

Kontakt

Máte dotazy nebo potřebujete poradit?
Kontaktujte prosím kdykoli naši bezplatnou technickou podporu e-mailem, na chatu nebo na fóru anebo se podívejte do sekce často kladených dotazů (FAQ).

+420 227 203 203

info@dlubal.cz

Compatible Programs Program
RWIND Simulation 1.xx

Samostatný program

Samostatný program pro numerickou simulaci proudění vzduchu v digitálním větrném tunelu a export vygenerovaných zatížení větrem do programu RFEM nebo RSTAB.

Cena za první licenci
2 690,00 USD