Tento návod popisuje základní kroky při vytváření validačního příkladu pro CFD simulaci, od výběru vhodného fyzikálního scénáře až po analýzu a porovnání výsledků. Pečlivým dodržováním těchto kroků mohou inženýři a výzkumní pracovníci zvýšit hodnověrnost svých CFD modelů a připravit cestu pro jejich efektivní použití v různých oblastech, jako je aerodynamika, letecký průmysl nebo environmentální studie.
Vytvoření validačního příkladu pro výpočetní simulaci dynamiky tekutin (CFD) v aplikacích větrného inženýrství zahrnuje několik specifických kroků přizpůsobených složitosti proudění větru a jeho interakci s konstrukcemi a prostředím. Zde je návod krok za krokem:
1. Zadání úlohy větrného inženýrství
- Zadejte jasně scénář zatížení větrem, který chcete simulovat, například obtékání budov, mostů nebo jiných konstrukcí větrem.
- Zahrňte podrobnosti o terénu, charakteristikách mezní vrstvy atmosféry a příslušných faktorech prostředí.
2. Výběr příslušného srovnávacího případu
- Vyberte si dobře zdokumentovanou případovou studii zatěžování větrem se spolehlivými experimentálními nebo terénními daty. Může se jednat o zkoušky ve větrném tunelu nebo o měření v reálu.
- Případ by se měl co do geometrie, měřítka a větrných podmínek velmi podobat vašemu scénáři.
Pro naši aktuální studii jsme jako modelový příklad vybrali vědeckou práci [1] z časopisu Journal of Wind Engineering. Model je znázorněn na obrázku 1:
3. Vývoj CFD modelu
- Geometrie: Vytvořte digitální model konstrukce a okolního terénu. U budov zahrňte detaily jako tvar, prvky fasády a okolní konstrukce.
- Síťování: Vygenerujte síť, která přesně zachytí geometrii, se zvláštním zřetelem na oblasti, kde se očekávají velké gradienty proudění, jako jsou rohy a okraje konstrukcí.
- Okrajové a počáteční podmínky: Nastavte okrajové podmínky, které odrážejí profil větru (rychlost a směr) v různých výškách, teplotních a tlakových poměrech.
- Nastavení řešiče: Vyberte vhodné řešiče a modely turbulence (např. k-ε nebo LES), o kterých je známo, že fungují dobře při simulacích větru.
Výchozí předpoklady jsou uvedeny v tabulce 1.
| Základní rychlost větru | V | 10,13 | m/s |
| Výška střechy | h | 6 | m |
| Horizontal Dimension | α | 6 | m |
| Úhel střechy | θstřechy | 0 | Stupeň |
| Hustota vzduchu - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Směry větru | θVítr | 0 | Stupeň |
| Turbulentní model - RWIND | Ustálený stav RANS k-ω SST | - | - |
| Kinematická viskozita (rovnice 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Pořadí schémat - RWIND | První a druhá | - | - |
| Cílová reziduální hodnota - RWIND | 10-4 | - | - |
| Typ rezidua - RWIND | Tlak | - | - |
| Minimální počet iterací - RWIND | 800 | - | - |
| Hraniční vrstva - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ stěnové funkce - RWIND | Rozšířené/Smíšené | - | - |
4. Spuštění simulace
- Provádějte stacionární i nestacionární analýzu, protože proudění větru se může v čase značně měnit.
- Zajistěte, aby simulace probíhala dostatečně dlouho, aby byla zachycena příslušná dynamika proudění okolo konstrukcí.
5. Proces validace
- Porovnat s údaji z benchmarku : Porovnejte výsledky své simulace s daty srovnávacího případu a zaměřte se na parametry, jako jsou profily rychlosti větru, rozložení tlaku na konstrukce a intenzita turbulence.
- Analýza chyb : Proveďte kvantitativní analýzu pro posouzení nesrovnalostí mezi simulací a referenčními údaji.
- Analýza citlivosti : Vyzkoušejte, jak změny v hustotě sítě, okrajových podmínkách a turbulentních modelech ovlivňují vaše výsledky.
V našem příkladu je znázorněna analýza citlivosti podle obrázku 2. Výsledky celkových odporových sil jsou zkoumány pro čtyři různé sítě. Nezávislost na síti je získána při 1,6 milionu buněk.
6. Dokumentace
- Důkladně zdokumentujte svou metodiku včetně předpokladů, okrajových podmínek a všech příslušných nastavení.
- Zahrňte podrobné porovnání vašich výsledků s údaji z modelového případu a zvýrazněte shody i nesrovnalosti.
7. Iterativní zahuštění
- Pokud existují výrazné odchylky od referenčních údajů, je třeba model zpřesnit. To může zahrnovat úpravu hustoty sítě prvků, úpravu modelů turbulence nebo úpravu okrajových podmínek.
- Opakujte proces simulace a validace, dokud model spolehlivě nepředpovídá chování proudění větru.
8. Aspekty pro větrnou techniku
- CFD simulace pro modelování proudění větru často potřebují zohlednit složité jevy, jako je odtrhávání vírů, třepetání a jevy v úplavu.
- Městská topologie, vlivy terénu a podmínky atmosférické stability mohou výrazně ovlivnit proudění větru a měly by být v případě potřeby zahrnuty do modelu.
9. Výsledky
Diagram průměrné hodnoty Cp pomocí ustálené simulace je proveden pro zjednodušenou a přesnou metodu generování sítě v programu RWIND a také pro první a druhou metodu numerického schématu. Výsledky ukazují dobrou shodu mezi experimentální a numerickou metodou s ohledem na odkaz [1]. Na obrázcích 3 a 4 je znázorněna průměrná hodnota Cp pomocí zadané linie ve svislém a vodorovném směru.
10. Závěr a výhled
Tento proces validace je rozhodující pro zajištění toho, aby váš CFD model přesně modeloval složitosti proudění větru v inženýrských aplikacích. Pomáhá při stavění důvěry ve výsledky simulace, které lze následně použít pro návrhová rozhodnutí, posouzení bezpečnosti nebo pro další výzkumné studie. Validační model je k dispozici ke stažení zde:
