Validační příklady CFD (Computational Fluid Dynamics Simulations) pomocí experimentální studie (obrázek 1) jsou zásadním krokem při ověření přesnosti simulačních modelů. Tento proces zahrnuje podrobné porovnání výsledků získaných z CFD simulací a výsledků získaných z reálných experimentů. To zajišťuje, že simulace mohou být spolehlivě použity pro předpovídání aerodynamické simulace v různých aplikacích, od inženýrského návrhu až po analýzu prostředí. Validace CFD modelů na základě experimentálních dat pomáhá identifikovat nesrovnalosti a umožňuje úpravy parametrů modelu, turbulentních modelů nebo numerických metod. Tento iterační proces v konečném důsledku zvyšuje důvěru v prediktivní schopnosti simulace a zajišťuje, že CFD model může odrážet skutečné jevy.
V aktuálním příkladu spolupráce společnosti Dlubal Software a RWTH-Univerzita v Cáchách nastíníme klíčové kroky pro implementaci CFD simulace v programu RWIND na základě experimentálních dat. Velmi si vážíme Prof. Franka Kempera a Dipl.-Ing. Mirko Friehe z Univerzity v Cáchách za poskytnutí experimentálních dat z větrného tunelu a jejich neocenitelnou podporu během tohoto projektu.
Na obrázcích 1 a 2 je znázorněn experimentální model 3D obdélníkové budovy ve větrném tunelu. Hlavní model obsahuje senzory pro měření klíčových parametrů, jako jsou hodnoty tlaku větru a součinitel tlaku větru. Malé bloky okolo modelu simulují drsnost terénu, aby přesně odrážely okolní podmínky.
Vytvoření validačního příkladu pro CFD (Computational Fluid Dynamics) simulaci v programu RWIND na základě experimentálních dat z Univerzity v Cáchách vyžaduje systematický proces. Zde je průvodce krok za krokem:
Krok 1: Definice cílů validace
- Účel : V této části vysvětlíme, proč toto ověření provádíme. Společným cílem je ověřit přesnost výsledků programu RWIND ve srovnání s fyzikálními experimentálními údaji.
- Rozsah : Cílové výsledky pro validaci zahrnují hodnoty tlaku větru na definovaných senzorech a základní síly podle různých směrů větru.
Krok 2: Shromážděte experimentální data z testu větrného tunelu
- Sběr dat : Shromážděte všechna potřebná experimentální data, jako jsou rychlost větru, směry větru, měření tlaku a případné relevantní okrajové podmínky.
- Formát dat : Ujistěte se, že data jsou ve formátu, který program RWIND dokáže zpracovat, jako jsou textové soubory nebo tabulky, a ujistěte se, že odpovídají jednotkám a měřítku požadovaným programem RWIND. Zde je odkaz na FAQ, jak vložit experimentální data do programu RWIND:
- Kontrola kvality : Zkontrolujte úplnost a přesnost údajů. Ujistěte se, že data pokrývají rozsah podmínek, které chcete simulovat.
Krok 3: Nastavení modelu v programu RWIND
- Import geometrie : Vytvořte nebo importujte geometrii studované konstrukce (např. budovy nebo mostu). Ten lze modelovat přímo v programu RWIND nebo importovat z programu RFEM nebo CAD (obrázek 3).
- Okrajové podmínky : Použijte stejné okrajové podmínky jako při experimentu. To zahrnuje zadání rychlosti větru, intenzity turbulence a dalších požadovaných faktorů (obrázek 4).
- Síťování : Vytvořte výpočetní síť vhodnou pro vaši studii (obrázek 5). Tento krok zahrnuje diskretizaci geometrie na menší prvky, které RWIND používá pro výpočty. V oblastech s velkým sklonem (např. okolo okrajů nebo ploch s očekávaným turbulentním prouděním) je třeba zajistit, aby byla síť dostatečně jemná. Výpočet opakujte se zvyšující se hustotou sítě, dokud jsou výsledky téměř stejné.
Také výpočetní studii sítě je třeba provést podle následujícího odkazu:
Krok 4: Spuštění simulace
- První zkušební provoz : Začněte zkušebním provozem, abyste zjistili případné problémy s nastavením. Zkontrolujte kvalitu sítě, okrajové podmínky a případné problémy s konvergencí.
- Úplná simulace : Jakmile je zkušební provoz úspěšný, pokračujte v úplné simulaci. Sledujte konvergenci a stabilitu simulace a v případě potřeby proveďte úpravy.
Krok 5: Následné zpracování výsledků
- Extrakce dat : Exportujte výsledky simulace včetně rozdělení výsledných sil větru a tlaků pro definované body měření z programu RWIND pro porovnání s experimentálními daty.
- Vizualizace : Pomocí postprocesorových nástrojů programu RWIND můžete vizualizovat proudění a průběhy tlaků. Vytvářejte obrázky, grafy nebo 3D vizualizace pro lepší interpretaci výsledků.
Krok 6: Porovnání výsledků s experimentálními daty
- Uspořádání dat : Ujistěte se, že simulační a experimentální data jsou v souladu s prostorovými polohami, jednotkami a měřítky.
- Statistická analýza : Proveďte statistické srovnání mezi simulačními a experimentálními daty. Počítejte metriky odchylek, jako jsou korelační koeficienty pro kvantifikaci přesnosti.
Zde jsou uvedeny výsledné základní síly podle různých směrů větru, které byly analyzovány v programu RWIND a porovnány s experimentální studií (obrázek 6). Pro výpočet základních sil byl použit model turbulence k-epsilon se zohledněním nízké i vysoké intenzity turbulence. Výsledky s vyšší intenzitou turbulence ukázaly větší shodu s experimentální studií s odchylkou přibližně 6%.
Druhým parametrem jsou hodnoty tlaku větru vypočítané v bodech měření v numerické i experimentální studii (obrázek 7). V programu RWIND byly použity standardní k-epsilon a k-omega SST modely pro porovnání těchto hodnot tlaku větru s experimentálními výsledky. Statistická analýza ukazuje, že model k-omega SST vykazuje bližší trend k výsledkům experimentu podle korelačního koeficientu (R = 0,98) a koeficientu determinace (R2 = 0,96) na obrázku 8.
Krok 8: Dokumentace a protokoly
Zdokumentujte celý proces validace včetně nastavení, parametrů simulace, metodiky porovnání a výsledků. Zvýrazněte případné odchylky od experimentálních dat a případné příčiny. Poskytnout náhled na přesnost CFD modelu a v případě potřeby navrhnout vylepšení nebo další validační kroky.
