Úvod
V oblasti větrného inženýrství je přesné modelování a validace rozhodující pro zajištění konstrukční integrity a aerodynamických vlastností různých konstrukcí citlivých na vítr, jako jsou antény (obrázek 1). Tyto konstrukce, které se často vyznačují štíhlým tvarem, nízkou hmotností a značnou výškou, jsou ze své podstaty náchylné k zatěžování větrem. I mírné větrné podmínky mohou na tyto prvky působit značné síly kvůli jejich velkému poměru povrchu k hmotnosti. Zejména antény vyžadují při procesu navrhování a analýzy zvláštní pozornost, aby byla zajištěna jejich stabilita, funkčnost a bezpečnost v průběhu času. K přesnému předpovědi tlaků větru a reakcí se běžně používají testy ve větrném tunelu, výpočetní simulace a měření v terénu. Správné posouzení a strategie zmírnění jsou nezbytné nejen pro prevenci poškození konstrukce, ale také pro zachování nepřetržitého provozního výkonu, zejména v kritických komunikačních nebo monitorovacích aplikacích. V aktuálním příkladu validace je zkoumán koeficient síly pro CFD simulaci v programu RWIND a experimentální studii [1] z RWTH Aachen University.
Pro řešení těchto problémů je nezbytná důkladná validace výpočetních modelů, aby bylo zajištěno, že teoretické předpovědi odpovídají skutečnému výkonu. Jedním z takových příkladů je validace simulací zatížení antén větrem pomocí experimentálního testování a analýzy výpočetní dynamiky tekutin (CFD). Tento proces umožňuje inženýrům zdokonalit jejich modely, zlepšit přesnost a zvýšit celkovou spolehlivost anténních konstrukcí v různých podmínkách prostředí.
Ve spolupráci s RWTH Aachen University, přední institucí v oblasti inženýrství a aplikovaných věd, jsou prováděny praktické studie anténních konstrukcí vystavených zatížení větrem. Kombinací teoretických přístupů s empirickými údaji se výzkum snaží překlenout propast mezi simulací a realitou a přispět tak k vývoji bezpečnějších a odolnějších anténních konstrukcí. Tato studie podtrhuje význam validace ve větrném inženýrství a demonstruje, jak spolupráce akademické sféry a průmyslu může vést k přesnějším modelovacím technikám a zlepšení konstrukčních vlastností v reálných aplikacích.
Popis
V aktuálním příkladu validace je zkoumán koeficient síly pro CFD simulaci v programu RWIND a experimentální studii [1] RWTH Aachen University. Model představuje tři antény s ostrými hranami v programu RWIND, umístěné nad rastrovou plochou, která slouží jako základová rovina nebo podlaha větrného tunelu. Model obsahuje několik rozměrových značek v magentové barvě, které označují konkrétní rozměry: celková výška antény je 0,50 m; její základna je vyvýšena 0,20 m nad základovou půdu, jak je znázorněno na obrázku 2.
Vstupní data a předpoklady
Požadované předpoklady pro simulaci větru jsou uvedeny v následující tabulce:
| ‚‘‚Tabulka 1: Rozměrové poměry a vstupní data ‘‚‘ | |||
| Rychlost větru | V | 10 | m/s |
| Výška | h | 0,5 | m |
| Dolní mezera | Mezera | 0,20 | m |
| Hustota vzduchu - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Směry větru | θwind | 0o až 360o s krokem 30o | Stupně |
| Model turbulence – RWIND | Steady RANS k-ω SST | - | - |
| Kinematická viskozita - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Pořadí schématu - RWIND | Druhé | - | - |
| Zbytková cílová hodnota – RWIND | 10-4 | - | - |
| Typ zbytku - RWIND | Tlak | - | - |
| Minimální počet iterací - RWIND | 800 | - | - |
| Hladina na pozadí - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ funkce stěny - RWIND | Vylepšená / Smíšená | - | - |
| Intenzita turbulence | I | 3% | - |
Studie výpočetní sítě
Studie výpočetní sítě je nezbytná při CFD analýze, protože přímo ovlivňuje přesnost a spolehlivost výsledků. Zatímco dobře propracovaná síť zlepšuje přesnost, nadměrné zjemnění zvyšuje výpočetní náklady bez většího přínosu. Studie citlivosti sítě proto pomáhají najít optimální rovnováhu mezi přesností a efektivitou, což umožňuje lepší rozhodování s praktickým využitím zdrojů. Tabulka zobrazená v pravém dolním rohu porovnává různé hustoty sítě v rozmezí od 10 % do 30 % a odpovídající koeficienty síly (Cf).
Více informací o studii výpočetní sítě:
Výsledky a diskuse
Obrázek 4 představuje analýzu porovnávající experimentální a simulované údaje týkající se koeficientu síly větru působícího na anténní konstrukci. Ve středu obrázku je graf znázorňující změnu koeficientu síly Cf v závislosti na směru větru θ, měřeném ve stupních od 0∘ do 360∘. Svislá osa představuje koeficient síly Cf v rozmezí od 0,0 do 1,0 a vodorovná osa představuje směry větru v 30stupňových intervalech. Na grafu jsou vyneseny dva soubory dat: černá linie s trojúhelníkovými značkami představuje experimentální měření, zatímco zelená linie s kruhovými značkami představuje výsledky simulace získané pomocí programu RWIND.
Více informací o tom, jak vypočítat koeficient síly větru v programu RWIND:
Graf ukazuje, že experimentální výsledky i výsledky programu RWIND vykazují podobný trend, což naznačuje vysokou míru shody mezi nimi. Obecně lze říci, že koeficient síly vykazuje periodické chování s výraznými poklesy při směrech větru přibližně 60∘ a 180∘, kde jsou hodnoty Cf nejnižší. Vrcholy jsou pozorovány kolem 0∘, 120∘, 240∘ a 330∘, kde konstrukce zažívá nejvyšší síly vyvolané větrem. Těsné srovnání obou křivek ukazuje, že program RWIND přesně zachycuje aerodynamickou odezvu konstrukce, přičemž průměrná odchylka od experimentálních dat činí přibližně 5 %.
Celkově lze říci, že tato studie účinně zkoumá proces ověřování numerické simulace větru na základě výsledků fyzikálních experimentů. Ukazuje, že program RWIND velmi dobře replikuje experimentální data při různých směrech větru, což naznačuje jeho vhodnost pro předpovídání zatížení větrem na štíhlých vertikálních konstrukcích, jako jsou stožáry antén. Kombinace grafických dat, vizualizace konstrukce a simulace proudění poskytuje jasný a zaoblený obraz metodiky a výsledků studie.
Příklad antény s jedním ostrým okrajem z RWTH Aachen University je zde:
