Vytvoření ověřovacího příkladu pro výpočetní simulaci dynamiky tekutin (CFD) v aplikacích větrného inženýrství zahrnuje několik specifických kroků přizpůsobených složitosti proudění větru a jeho interakcí s konstrukcemi a prostředím. Zde je návod krok za krokem:
1. Zadání problému větrné techniky
- Jasně zadejte scénář větrné techniky, který chcete simulovat, například obtékání budov, mostů nebo jiných konstrukcí větrem.
- Zahrnout podrobnosti o terénu, charakteristikách mezní vrstvy atmosféry a příslušných faktorech prostředí.
2. Vybrat vhodný případ benchmarku
- Vyberte si dobře zdokumentovanou případovou studii větrného inženýrství se spolehlivými experimentálními nebo terénními daty. Může se jednat o zkoušky ve větrném tunelu nebo o plnohodnotná měření.
- Případ by se měl co do geometrie, měřítka a větrných podmínek velmi podobat vašemu scénáři.
Pro naši aktuální studii jsme jako srovnávací příklad vybrali vědeckou práci [1] z časopisu Journal of Wind Engineering. Model je znázorněn na obrázku 1:
3. Vytvoření 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 Large Eddy Simulation), o kterých je známo, že fungují dobře při simulacích větrné techniky.
Výchozí předpoklady jsou uvedeny v tabulce 1.
| Tabulka 1: Rozměrový poměr a vstupní údaje | |||
| Základní rychlost větru | V | 10,13 | m/s |
| Střední výška střechy | h | 6 | m |
| Vodorovná vzdálenost (vzdálenost od okraje) | α | 6 | m |
| Úhel střechy | θstřechy | 0 | o |
| Hustota vzduchu - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Směry větru | θVítr | 0 | o |
| Model turbulence - RWIND | Stacionární výpočet RANS k-ω SST | - | - |
| Kinematická viskozita (rovnice 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Řád schémat - RWIND | První a druhý | - | - |
| Požadovaná reziduální hodnota - RWIND | 10-4 | - | - |
| Typ rezidua - RWIND | Tlak | - | - |
| Minimální počet iterací - RWIND | 800 | - | - |
| Hraniční vrstva - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ stěnové funkce - RWIND | Enhanced/Blended | - | - |
4. Spustit simulaci
- Provádějte simulace se zohledněním stacionární i nestacionární analýzy, protože proudění větru může mít značné časové změny.
- Zajistěte, aby simulace probíhala dostatečně dlouho, aby byla zachycena příslušná dynamika proudění okolo konstrukcí.
5. Proces ověření
- Porovnání s údaji z benchmarku: Porovnejte výsledky své simulace s daty referenčního případu a zaměřte se na parametry, jako jsou profily rychlosti větru, rozložení tlaku na konstrukce a intenzita turbulence.
- Chybová analýza: Proveďte kvantitativní analýzu pro posouzení nesrovnalostí mezi simulací a referenčními údaji.
- Analýza citlivosti: Vyzkoušejte, jak změny hustoty sítě, okrajových podmínek a modelů turbulence ovlivní vaše výsledky.
V našem příkladu je analýza citlivosti znázorněna na 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 benchmarku a zvýrazněte shody i nesrovnalosti.
7. Iterační zahuštění
- Pokud existují výrazné odchylky od referenčních údajů, je třeba model upřesnit. To může zahrnovat úpravu rozlišení sítě prvků, úpravu modelů turbulence nebo úpravu okrajových podmínek.
- Opakujte proces simulace a ověření, dokud model spolehlivě předpovídá chování proudění větru.
8. Doporučení pro větrnou techniku
- CFD simulace pro větrné inženýrství často potřebují zohlednit složité jevy, jako je odtrhávání vírů, otřesy a vlnění.
- Městská topologie, vlivy terénu a atmosférické podmínky 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
Tento proces validace je rozhodující pro zajištění toho, aby váš CFD model přesně odpovídal složitosti proudění větru v inženýrských aplikacích. Pomáhá při vytváření 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:
