Důležité principy při simulaci větru

Odborný článek z oblasti statiky za použití softwaru Dlubal

  • Databáze znalostí

Odborný článek

Programy RFEM a RWIND umožňují vytvořit model membránové tahové konstrukce, pro které lze spustit simulaci obtékání větrem a implementovat důležitá kritéria. RWIND je výkonný nástroj pro výpočet zatížení větrem na obecné konstrukce a složité tvary. CFD solver je softwarový balíček OpenFOAM ® (verze 17.10), který poskytuje velmi dobré výsledky a je široce používaným nástrojem pro CFD simulace. Jedná se o stacionární řešič pro nestlačitelné turbulentní proudění pomocí SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) algoritmů.

Zatížení větrem se řídí příslušnými normami, jako jsou EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7-16 nebo NBC 2015. RFEM je dobře vybavený software pro tahové membránové konstrukce, který provádí nelineární form-finding předpjatých ploch s dvojí křivostí. Obrázek 2 ukazuje numerický vývojový diagram proudění vzduchu a MKP modelování pro verifikační příklad pro membránovou konstrukci.

Pro numerické řešení parciálních diferenciálních rovnic je třeba všechny diferenciální výrazy (prostorové a časové derivace) diskretizovat. Existuje celá řada metod diskretizace s různým numerickým chováním s ohledem na přesnost, stabilitu a konvergenci. Řád diskretizace obecně ukazuje, jak přesná je numerická simulace ve srovnání s řešením původních nediskretizovaných rovnic. Numerická diskretizace prvního řádu v zásadě přináší lepší konvergenci než schéma druhého řádu. V současné studii je použita diskretizace druhého řádu. Pro dosažení lepší konvergence pomocí numerického schématu druhého řádu se doporučuje zvýšit minimální počet iterací (obrázek 3).

Nastavení maximálního počtu iterací a schématu druhého řádu

Verifikační příklad:

Pro verifikaci simulace proudění větru je vybrán model s dvojí křivostí, který byl vyvinut v [1] a [2], a výsledky jsou zkoumány. Měřítko modelu s mírnou křivostí je zvoleno 1/25, což je stejné jako v experimentálním modelu [1] a představuje střechu ve tvaru hyperbolického paraboloidu o rozměrech 10 m x 10 m a výšce 1,25 m. Mírná křivost se pro verifikaci příkladu uvažuje s úhlem θ=45o. Předpínací síla na plochu ve skutečném měřítku byla aplikována 2,5 kN/m a mechanické vlastnosti jako modul pružnosti a Poissonův součinitel jsou definovány jako Ex=1000 kN/m, Ey=800 kN/m, Gxy=100 kN/m, vxy=0,20. Obrázek 4 ukazuje geometrii modelu s dvojí křivostí. Vstupní údaje a vstupní rychlost větru pro CFD simulaci jsou znázorněny na obrázku 5.

Rozměry větrného tunelu:

Je důležité si uvědomit, že rozměr větrného tunelu může způsobit chybu, pokud je velikost tunelu menší než standardní. Následující obrázek ukazuje standardní rozměr větrného tunelu [3]. Výsledky jsou také citlivé na velikosti sítě, takže výpočet by měl proběhnout alespoň pro tři rozměry sítě, a pokud se výsledky pro jemnější síť dostatečně shodují s hrubším rozměrem, je dosaženo nezávislosti na síti (obrázek 6).

Boční pohled na generování sítě modelu je znázorněn na obrázku 7; jak je vidět, v těsné blízkosti povrchu modelu se používá algoritmus zahuštění sítě.

Analýza výpočetní sítě:

Výsledky CFD simulaci jsou citlivé na velikost sítě, takže jejich nezávislost velikosti sítě by měla být prověřena alespoň pro tři různé rozměry prvků. Zde jsou výsledné hodnoty Cp na středové linii střechy; jak je vidět, jsou zde velmi malé rozdíly, což ukazuje, že výsledky simulace větru se stávají nezávislé na rozměrech sítě u třetí varianty (obrázek 8).

Vylepšené stěnové funkce:

RWIND používá stěnovou funkci Blended Wall Function (BWF), známou také jako Enhanced Wall Function (EWF), která vykazuje mnohem lepší vlastnosti než standardní stěnová funkce (SWF). Obecně si tak můžete být jisti, že obdržíte přesné výsledky pro velký rozsah hodnot y+. BWF není symetrická funkce. Plná černá čára (na obrázku 9) představuje přímou numerickou simulaci (DNS), kterou se snažíme reprodukovat. Na první pohled je vidět, že EWF je rozhodně mnohem blíže DNS než SWF. V problematické oblasti mezi y+ 5 a 30 je tedy EWF rozhodně mnohem přesnější ve srovnání se SWF. Proto jsou vylepšené stěnové funkce často pro CFD simulace doporučovány [4].

Průběh průměrného tlaku na střední linii a rozložení na ploše pro oba modely turbulence jsou znázorněny na obrázcích 10 a 11. Pro střední linii střechy je odečten průběh Cpe a porovnán s výsledky experimentu ve větrném tunelu. Hodnotu Cp lze odvodit z následující rovnice, kde P je tlak větru v měřeném bodě, Pref referenční tlak (tlak atmosféry), ρ hustota vzduchu a Uref je referenční rychlost 15,3 m/s.

Hodnota cp

Cp=P-Pref12ρUref2

Jak je vidět, model turbulence K-omega vykazuje lepší výsledky při predikci součinitele tlaku větru; v této studii model turbulence K-omega lépe zachycuje účinky odtrhávání vírů při velkých záporných tlakových gradientech než K-epsilon modely. Doporučujeme tento model turbulence použít jako přesnější variantu při interakci konstrukce s větrem.

Autor

Mahyar Kazemian

Mahyar Kazemian

Vývoj produktů

Pan Kazemian má na starost tvorbu odborných článků, produktové inženýrství a marketing pro programy Dlubal, zejména RWIND 2.

Klíčová slova

Simulace větru Zatížení větrem Výpočetní dynamika tekutin Tahová membránová struktura Mahyar Kazemian

Literatura

[1]   Colliers, J., et al., Prototyping of thin shell wind tunnel models to facilitate experimental wind load analysis on curved canopy structures. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2019. 188: p. 308-322.
[2]   Rizzo, F., et al., Wind action evaluation on tension roofs of hyperbolic paraboloid shape. Engineering structures, 2011. 33(2): p. 445-461.
[3]   Zhang, C., et al., Wind pressure coefficients for buildings with air curtains. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2020. 205: p. 104265.
[4]   What are Wall Functions and How do they work? https://www.youtube.com/watch?v=h5OiFpu0L4M

Ke stažení

Napište komentář...

Napište komentář...

  • Navštíveno 921x
  • Aktualizováno 24. února 2023

Kontakt

Kontakt na Dlubal Software

Máte další dotazy nebo potřebujete poradit? Kontaktujte nás prostřednictvím naší bezplatné e-mailové podpory, chatu nebo na fóru, případně využijte naše FAQ, které máte nepřetržitě k dispozici.

+420 227 203 203

[email protected]

Pozvánka na akci

Mezinárodní konference o masivním dřevě

Konference 27. března 2023 - 29. března 2023

CFD simulace větru v programu RWIND 2

CFD simulace větru v programu RWIND 2 (USA)

Webinář 29. června 2022 14:00 - 15:00 EDT

Online Training | Czech

RFEM 5 | Bezplatné základní školení

Online školení 19. října 2021 9:00 - 11:30 CEST

Online školení | Anglicky

Eurokód 5 | Dřevěné konstrukce podle DIN EN 1995-1-1

Online školení 23. září 2021 8:30 - 12:30 CEST

Online Training | Czech

RFEM | Bezplatné základní školení

Online školení 31. srpna 2021 9:00 - 11:30 CEST

Online školení | Anglicky

Eurokód 3 | Ocelové konstrukce podle DIN EN 1993-1-1

Online školení 25. srpna 2021 8:30 - 12:30 CEST

Online školení | Anglicky

RFEM pro studenty | USA

Online školení 11. srpna 2021 13:00 - 16:00 EDT

RWIND

Samostatný program

RWIND je program pro numerickou simulaci obtékání libovolných geometrií staveb vzdušným proudem (digitální větrný tunel) se stanovením zatížení větrem, které působí na povrch těchto objektů. Program lze používat jako samostatnou aplikaci nebo jako rozšíření k programům RFEM a RSTAB pro statickou a dynamickou analýzu.

Cena za první licenci
3 450,00 EUR

RFEM 5

Hlavní program

Software pro statické výpočty MKP rovinných a prostorových konstrukcí složených z desek, stěn, skořepin, prutů, těles a kontaktních prvků

Cena za první licenci
4 350,00 EUR