Model pro ověření šesti antén s ostrými hranami od RWTH Aachen University

Úvod

V aerodynamice je přesné modelování a důkladná validace nezbytná pro zachování statické stability a aerodynamické účinnosti konstrukcí citlivých na vítr, jako jsou antény (obrázek 1). Díky své štíhlé formě, nízké hmotnosti a značné výšce jsou tyto konstrukce obzvláště náchylné k působení sil větru. I relativně mírný vítr může vyvíjet značný tlak kvůli vysokému poměru povrchu k hmotnosti. Zajištění dlouhodobé bezpečnosti, stability a funkčnosti antén vyžaduje pečlivý návrh a analýzu. Pro přesné předpovědi vlivů větru se inženýři obvykle spoléhají na testování ve větrném tunelu, výpočetní simulace a měření na místě. Účinné vyhodnocení a zmírnění jsou zásadní nejen pro zabránění porušení konstrukce, ale také pro zajištění nepřetržitého výkonu, zejména u důležitých komunikačních a monitorovacích systémů. V aktuálním příkladu ověření je zkoumán koeficient síly pro CFD simulaci v programu RWIND a experimentální studii [1] z RWTH Aachen University.

1 Validační model antény s šesti ostrými okraji z univerzity RWTH Aachen

Pro překonání těchto výzev je nezbytné pečlivě ověřit výpočetní modely, aby bylo zajištěno, že jejich předpovědi odrážejí skutečné chování. Klíčovým příkladem je ověření simulací zatížení antén větrem pomocí experimentálních testů a CFD simulace. Toto použití umožňuje inženýrům doladit modely, zvýšit přesnost předpovědí a zvýšit statickou spolehlivost antén 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 ukazuje, jak spolupráce mezi akademickou sférou a průmyslem může vést k přesnější modelování 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 šest antén s ostrými hranami v programu RWIND, umístěných nad rastrovou plochou, která slouží jako základová půda 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.

2 Model of Six Sharp-Edged Antennas in Simulation Environment

Vstupní data a předpoklady

Požadované předpoklady pro simulaci větru jsou uvedeny v následující tabulce:

Studie výpočetní sítě

Studie výpočetní sítě je v CFD analýze nezbytná, protože přímo ovlivňuje přesnost a spolehlivost výsledků. Zatímco dobře propracovaná síť zlepšuje přesnost, přílišné 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 v pravém dolním rohu porovnává různé hustoty sítě v rozmezí od 20 % do 35 % a odpovídající koeficienty síly (C_f).

3 Výpočetní studie sítě pro šest antén s ostrými okraji v programu RWIND

Další informace o studii výpočetní sítě:

• Studie výpočtové sítě

Výsledky a diskuse

Obrázek 4 představuje analýzu porovnávající experimentální a simulovaná data týkající se koeficientu síly větru působícího na složitou anténní konstrukci. Ve středu obrázku je graf znázorňující změnu koeficientu síly C_f v závislosti na směru větru θ, měřeném ve stupních od 0^∘ do 360^∘. Svislá osa představuje koeficient síly C_f v rozmezí od 0,0 do 1,0 a vodorovná osa představuje směry větru zvyšující se v 30stupňových intervalech od 0^∘ do 360^∘. 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 výpočtu koeficientu síly větru v programu RWIND:

• Součinitel síly větru v programu RWIND

Obrázek 4 také ukazuje, že výsledky experimentu i programu RWIND sledují velmi podobný trend, což odráží vysokou shodu mezi oběma metodami. Celkově koeficient síly C_f vykazuje cyklický vzorec s ohledem na směr větru, přičemž jasná minima se vyskytují přibližně v 90^∘ a 270^∘, kde jsou aerodynamické síly nejslabší. Naopak maxima jsou patrná kolem 0^∘, 150^∘ a 210^∘, což naznačuje orientace, ve kterých šest anténních konstrukcí s ostrými okraji podléhá nejvýznamnějšímu vlivu větru. Úzká shoda mezi experimentálními a simulovanými daty potvrzuje, že program RWIND účinně replikuje aerodynamické chování antény s průměrnou odchylkou přibližně 5 %.

4 Porovnání koeficientu síly větru mezi programem RWIND a experimentálními údaji

Závěr

Celkově lze říci, že tato studie úspěšně ověřila numerickou simulaci větru porovnáním s experimentálními údaji pro konstrukci složenou ze šesti antén s ostrými hranami. Výsledky ukazují, že program RWIND přesně reprodukuje experimentální výsledky v celém rozsahu směrů větru, což dokazuje jeho účinnost při předpovídání zatížení větrem na geometricky složitých, štíhlých konstrukcích. Integrace vynesených údajů o koeficientech síly, konstrukčních schémat a vizualizace CFD pole proudění nabízí komplexní a souvislou prezentaci použití a klíčových výsledků studie.

Kromě toho zde uvádíme příklad z RWTH Aachen University, který ilustruje modely s jednou a třemi anténami s ostrými hranami:

• Ověřovací model jedné antény s ostrými okraji od RWTH Univerzity v Cáchách

• Validační model tří antén s ostrými hranami z univerzity RWTH Aachen

185x

38x

Analýza zatížení antény větrem pomocí CFD