Úvod
Přesná predikce sil indukovaných větrem na anténní struktury je kritickým aspektem stavebního a telekomunikačního inženýrství, zejména pro vysokofrekvenční, tenká zařízení jako anténa Kathrein 80010804. V této studii je provedena komplexní validace simulací větru na bázi CFD pro průřez antény ve spolupráci s univerzitou RWTH Aachen. Cílem je posoudit spolehlivost numerických výsledků generovaných softwarem RWIND Simulation porovnáním s měřeními ve větrném tunelu, včetně interních testů a referenčních dat publikovaných v diplomové práci z univerzity RWTH Aachen [1] a technické Katalog Kathrein (Obrázky 1 a 2).
Jednou z klíčových výzev v procesu validace je citlivost aerodynamického chování na číslo Reynolds, zejména při nízkých úhlech náporu větru (např. 0° a 180°), kde dominují jevy oddělování a opětovného připojování proudění. Aerodynamický výkon při těchto orientacích je silně závislý na režimu proudění, drsnosti povrchu a měřítku fyzického modelu, což vede k rozdílům mezi výsledky CFD a experimentálními zjištěními.
Tato validační studie nejen slouží k porovnání RWIND, ale také přispívá k zdokonalení osvědčených postupů pro simulaci složitých anténních geometrie pod nátlakem větru. Zjištění zdůrazňují důležitost zohlednění efektů Reynolds, hraničních podmínek a geometrické věrnosti k dosažení smysluplné shody s experimentálními daty.
![Simulace CFD pro analýzu zatížení větrem anténních konstrukcí: Validace pomocí testů v aerodynamickém tunelu [1]](/cs/webimage/057701/4702092/Image.png?mw=760&hash=ec9a55cdca40d30b4481aa04757df3b01dc1fa64)
Popis
V aktuálním validačním příkladu je zkoumán koeficient síly jak pro CFD simulaci v RWIND, tak pro experimentální studii [1] z univerzity RWTH Aachen. Model představuje průřez antény Kathrein 80010804 v RWIND, umístěný nad mřížkovým povrchem, který slouží jako podkladová rovina nebo podlaha větrného tunelu. Model zahrnuje několik rozměrových označení, která uvádějí konkrétní měření na Obrázku 3. Celková výška antény je 1,50 m a šířka (b) je 0,3 m; její základna je zvýšena o 0,20 m nad zemí, jak je ukázáno na Obrázku 3. Důležité je poznamenat, že referenční plocha se předpokládá, že zůstane konstantní ve všech směrech větru, jak je definováno následujícím vzorcem:
Vstupní data a předpoklady
Požadovaný předpoklad simulace větru je znázorněn v následující tabulce:
| Tabulka 1: Poměr rozměrů a vstupní data | |||
| Rychlost větru | V | 14 - 41 | m/s |
| Výška | H | 1.5 | m |
| Dolní mezera | Mezera | 0.20 | m |
| Hustota vzduchu - RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Směry větru | θvětru | 0o až 360o s krokem 30o | Stupeň |
| Model turbulence - RWIND | Steady RANS k-ω SST | - | - |
| Kinematická viskozita - RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Pořadí schématu - RWIND | Druhý | - | - |
| Cílová hodnota zbytků - RWIND | 10-4 | - | - |
| Typ zbytků - RWIND | Tlak | - | - |
| Minimální počet iterací - RWIND | 800 | - | - |
| Hraniční vrstva - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ funkce stěny - RWIND | Zdokonalený / Smíšený | - | - |
| Intenzita turbulence | I | 5% | - |
Studie výpočetní sítě
Studie výpočetní sítě je zásadní v CFD analýze, protože přímo ovlivňuje přesnost a spolehlivost výsledků. Zatímco dobře zjemněná síť zlepšuje přesnost, nadměrné zjemnění zvyšuje výpočetní náklady bez většího prospěchu. Proto studie citlivosti sítě 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 od 15% do 55% a jejich odpovídající koeficienty síly (Cf) jak je znázorněno na Obrázku 4.
Pro více informací o studii výpočetní sítě:
Výsledky a diskuse
Obrázek 5 porovnává koeficient síly Cf napříč modelem antény, založený na měřeních ve větrném tunelu a výsledcích RWIND při rychlostech větru 14 m/s a 41 m/s. Obě simulace (14 m/s a 41 m/s) sledují experimentální trend, což potvrzuje správnou citlivost na orientaci proudění, ale mírně podhodnocuje maximální hodnoty, s odchylkami 10% a 12%, respektive. Minimální Cf se vyskytuje při 90∘ a 270∘ a maximální při 180∘, což odráží expozici větru. Vložená vizualizace CFD ilustruje oddělení proudění, což podporuje výsledky. Reynoldsovo číslo ovlivňuje oddělování proudění, turbulenci a odtržení vírů. I malé rozdíly v Re mezi CFD (při 14 m/s a 41 m/s) a větrným tunelem mohou způsobit změny v rozložení tlaku, zejména na sekcích s kulatými rohy. RWIND nemusí plně reprodukovat efekty Reynoldsu kvůli složitosti fyziky. Porovnání zdůrazňuje rozumnou shodu, s drobnými odchylkami kvůli efektům Reynoldsu.
Pro více informací o tom, jak vypočítat koeficient větrné síly v RWIND:
Závěr
Celkově vstávající studie validuje numerickou simulaci větru pro průřez antény Kathrein 80010804 porovnáním výsledků RWIND s experimentálními daty poskytovanými ve spolupráci s univerzitou RWTH Aachen. Porovnání potvrzuje, že RWIND spolehlivě zachycuje aerodynamický koeficient síly antény s oblými rohy napříč všemi směry větru, což dokazuje jeho schopnost simulovat zatížení větrem na tenkých, zakřivených geometrích. Rozumný soulad mezi simulovanými a měřenými koeficienty síly zdůrazňuje přesnost modelu.
Navíc zde je příklad z univerzity RWTH Aachen, který ilustruje modely antény s jedním a třemi ostrými okraji:
