Důležité principy při simulaci větru

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).

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=45^o. 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 E_x=1000 kN/m, E_y=800 kN/m, G_xy=100 kN/m, v_xy=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 C_pe a porovnán s výsledky experimentu ve větrném tunelu. Hodnotu C_p lze odvodit z následující rovnice, kde P je tlak větru v měřeném bodě, P_ref referenční tlak (tlak atmosféry), ρ hustota vzduchu a U_ref je referenční rychlost 15,3 m/s.

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.

3D model

• 3D prohlížeč | Google
• 3D prohlížeč | Babylon
• Virtuální realita

Model | Dvojitá zakřivená tenkostěnná střecha Hypar