RFEM a RWIND se používají k vytvoření modelu membránové konstrukce v tahu, aby bylo možné spustit simulaci větru spolu s implementací důležitých kritérií. RWIND je výkonný nástroj pro vytváření zatížení větrem na obecné konstrukce a složité tvary. Řešič CFD je softwarový balík OpenFOAM® (verze 17.10), který poskytuje velmi dobré výsledky a je široce používaným nástrojem pro simulace CFD. Numerický řešič je ustálený pro nestlačitelné turbulentní proudění a používá algoritmus SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations).
Zatížení větrem je regulováno specifickými normami, jako jsou EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7-16 nebo NBC 2015. RFEM je technicky dobře vybavený software pro vytváření membránových konstrukcí v tahu; zohledňuje nelineární analýzu form-finding pro předpjaté dvojitě zakřivené plochy. Obrázek 02 představuje numerický diagram proudění vzduchu a modelování pomocí MKP pro provedení ověřovacího příkladu týkajícího se membránových konstrukcí v tahu.
Aby bylo možné numericky určit parciální diferenciální rovnice, je nutné všechny diferenciální výrazy (prostorové a časové derivace) diskretizovat. Existuje široká škála diskretizačních metod s různým použitím z hlediska přesnosti, stability a konvergence. Obecně platí, že řád diskretizace ilustruje přesnost numerické simulace ve srovnání s řešením původních nediskretizovaných rovnic. Numerická diskretizace prvního řádu v zásadě generuje lepší konvergenci než schéma druhého řádu. V současné studii je použita diskretizace druhého řádu. Při použití numerického schématu druhého řádu doporučujeme také zvýšit minimální počet iterací, aby bylo dosaženo lepší konvergence (obrázek 03).
Verifikační příklad
Pro ověření procesu simulace větru byl vyvinut model s dvojitým zakřivením, jak je znázorněno v [1] [2], a byly zkoumány výsledky. Měřítko modelu s mírným zakřivením je vybráno jako 1/25, což je stejné jako u experimentálního modelu v odkazu [3], který znázorňuje hyparovou střechu o rozměrech 10 m × 10 m × 1,25 m. Mírné zakřivení je zohledněno pro ověření příkladu s úhlem θ=45o. Předpínací síla pro skutečné měřítko byla aplikována 2,5 kN/m na plochu a mechanické vlastnosti, jako je modul pružnosti v tahu a Poissonův součinitel, jsou definovány jako Ex=1000 kN/m. Ey=800 kN/m. Gxy=100 kN/m, vxy=0,20. Obrázek 04 znázorňuje geometrii modelu s dvojitým zakřivením. Vstupní informace a vstupní rychlost větru pro simulaci CFD jsou znázorněny na obrázku 05.
Kóty větrného tunelu
Je důležité si uvědomit, že kóty větrného tunelu mohou způsobit chyby, pokud je velikost tunelu menší než standardní typ. Následující obrázek ukazuje standardní kóty větrného tunelu [3]. Výsledky jsou také citlivé na velikost sítě, proto by měl být výpočet proveden alespoň pro tři různé počty sítí a pokud jsou výsledky dostatečně blízké předchozí fázi, je dosaženo nezávislosti rastru (obrázek 06).
Boční pohled na vytvoření sítě modelu je uveden na obrázku 07; jak je vidět, algoritmus zjemnění sítě je použit v malé vzdálenosti od povrchu modelu.
Studie výpočetní sítě
Výsledky simulace CFD jsou citlivé na velikost sítě, proto by měla být nezávislost sítě ověřena alespoň pro tři různá čísla prvků sítě. Zde jsou výsledky hodnoty Cp na středové linii střechy; jak je vidět, existují velmi malé rozdíly, které ukazují, že výsledky simulace větru jsou nezávislé na třetí síti (obrázek 08).
Funkce smíšené stěny
RWIND používá funkci smíšené stěny (BWF), známou také jako vylepšená funkce stěny (EWF), která vykazuje mnohem lepší výkon než standardní funkce stěny (SWF). Obecně tedy můžete být jisti, že získáte přesné výsledky pro široký rozsah čísel y+. BWF není symetrická funkce. Máme černou čáru (jak je znázorněno na obrázku 09), která představuje přímou numerickou simulaci (DNS), kterou se snažíme reprodukovat. Okamžitě je vidět, že EWF je rozhodně mnohem blíže datům DNS než SWF. V nárazové oblasti mezi y+ 5 a 30 je tedy EWF rozhodně mnohem přesnější než SWF. Proto se EWF často doporučuje v CFD simulacích [4]. Je však důležité zdůraznit, že program RWIND není určen pro podrobné zkoumání mezní vrstvy s nízkými hodnotami y+. Program RWIND je navržen jako rychlé, přibližné a praktické řešení přizpůsobené pro stavební inženýry, kteří nemají rozsáhlé znalosti CFD a zajímají se o provádění průmyslových projektů.
10
Výpočet Y+
Diagram středního tlaku a obrysová linie pro oba turbulence modely jsou znázorněny na obrázcích 10 a 11. Na základě středové linie hyparové střechy je vynesen diagram rozložení Cpe a porovnán s experimentálním testem ve větrném tunelu. Hodnota Cp může být odvozena z následujícího vzorce, kde P je tlak větru v měřeném bodě, Pref je referenční tlak (atmosférický tlak), ρ je hustota vzduchu a Uref je referenční rychlost rovnající se 15,3 m/s.
Jak je zde vidět, model turbulence K-omega vykazuje lepší výkonnost při předpovídání součinitele tlaku větru; v této studii model turbulence K-omega zachycuje účinky odtrhávání vírů při vysokém gradientu negativního tlaku větru lépe než modely K-epsilon. Doporučujeme použít tento model turbulence jako přesnější variantu při interakcích větru a konstrukce.
