Uživatelský příběh
V tomto příkladě budeme vypočítávat průměrný koeficient síly a momentu pro Tokijská polytechnická univerzita (TPU) jako experimentální příklad (M0/S0), jaké jsou použitelné při konstrukčním návrhu na základě WTG-Merkblatt-M3.
Tato část výsledků patří do Skupiny 1 dle Obrázku 2.2 ve WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Absolutní hodnoty se středními požadavky na přesnost. Oblast aplikace může zahrnovat parametry nebo předběžné studie, když jsou plánována pozdější zkoumání s vyšší přesností (např. zkoumání ve větrném tunelu třídy G3).
- R2: Samostatné, všechny relevantní směry větru s dostatečně jemným směrovým rozlišením.
- Z1: Statistické průměrné hodnoty, pokud se týkají stacionárních prouděních procesů, kde fluktuace (např. kvůli turbulentnosti přitékajícího proudu) mohou být dostatečně zachyceny jinými opatřeními.
- S1: Statické efekty. Je dostačující představit konstrukční model s potřebným mechanickým detailním zobrazením, ale bez hmotových a tlumících vlastností.
Popis
Prostřednictvím zkoumání aerodynamického chování napříč různými rovinami toto srovnání usiluje o poskytnutí komplexnějšího pochopení rozložení síly. Takové informace jsou kritické pro posouzení celkové stability modelu, aerodynamického výkonu a odezvy konstrukce za podmínek proudění. Průměrné profily rychlosti a intenzity turbulence, které jsou reprodukovány ve větrném tunelu, odpovídají profilu terénu IV podle normy Japonského architektonického institutu (AIJ). Exponent 0.25 uváděný v některých obrázcích byl na základě dotazu klasifikován jako typografická chyba. Předpokládaný model je uveden na Obrázku 1:
Předpoklady, na kterých je analýza a simulace založena, jsou shrnuty v Tabulce 1, poskytující jasný přehled o parametrech a podmínkách zvažovaných během studie.:
Tabulka 1: Vstupní data 3D obdélníkového modelu
| Parametr | Symbol | Hodnota | Jednotka |
|---|---|---|---|
| Referenční rychlost větru | UH | 11 | m/s |
| Výška střechy | Href | 0.4 | m |
| Exponent profilu | α | 0.25 | - |
| Kategorie terénu | - | IV | - |
| Hustota vzduchu – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m³ |
| Model turbulence – RWIND | RANS K-Omega | - | - |
| 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 | Enhanced / Blended | - | - |
Studie výpočetní sítě
Obrázek 2 shrnuje studii senzitivity sítě, ukazuje, že jak se hustota sítě zvyšuje z 20% na 55%, koeficient síly (Cf) se zvyšuje z 0.95 na 1.05 a pak se stabilizuje. To naznačuje, že simulace dosahuje nezávislosti na síti při 55%, což znamená, že další zpřesnění výsledky výrazně nemění. Obrázek zdůrazňuje důležitost kvality sítě pro zajištění spolehlivých výsledků simulace větru.
Také je potřeba provést studii výpočetní sítě podle následujícího odkazu:
Obrázek 3 představuje diagram porovnávající výsledky RWIND s experimentálními daty, týkající se vykreslování normalizovaných profilů rychlosti větru podle výšky. Výsledky ukazují velmi dobrou shodu.
Požadavky na přesnost WTG-Merkblatt
WTG-Merkblatt M3 poskytuje dvě klíčové metody pro validaci výsledků simulace. Metoda Hit Rate vyhodnocuje, kolik simulovaných hodnot Pi správně odpovídá referenčním hodnotám Oi v rámci definované tolerance, s využitím binární klasifikační metody (zásah nebo minel). Tento přístup posuzuje spolehlivost simulace výpočtem míry úspěšnosti q, podobně jako u funkcí důvěry v teorii spolehlivosti. Naproti tomu metoda Normalizovaná střední čtvercová chyba (e2) nabízí podrobnější posouzení přesnosti kvantifikací průměrné čtvercové odchylky mezi simulovanými a referenčními hodnotami, normalizované k zohlednění rozdílů ve velikosti. Tyto metody společně poskytují jak kvalitativní, tak kvantitativní měřítka pro validaci simulace.
Výsledky a diskuse
Tabulka 3 ukazuje velmi dobrou shodu pro validační metriku mezi výsledky RWIND a referenčními daty WTG pro normalizované hodnoty rychlosti. Všechny odchylky jsou ve přijatelném rozsahu (pod 10%), takže je dosažena míra úspěšnosti q = 100%, a normalizovaná střední čtvercová chyba e2 = 0.00001 je extrémně nízká. Tyto výsledky potvrzují, že RWIND přesně reprodukuje referenční profil větru a splňuje přísná kritéria validace.
Tabulka 3: Validační metrika pro profil rychlosti
| WTG - u / uref | RWIND - u / uref | Odchylka (%) | n |
|---|---|---|---|
| 0.394 | 0.390 | 1.045 | 1.00 |
| 0.478 | 0.473 | 1.093 | 1.00 |
| 0.566 | 0.564 | 0.291 | 1.00 |
| 0.629 | 0.629 | 0.081 | 1.00 |
| 0.675 | 0.674 | 0.183 | 1.00 |
| 0.713 | 0.712 | 0.072 | 1.00 |
| 0.750 | 0.753 | 0.422 | 1.00 |
| 0.784 | 0.783 | 0.098 | 1.00 |
| 0.822 | 0.819 | 0.362 | 1.00 |
| 0.869 | 0.865 | 0.463 | 1.00 |
| 0.897 | 0.901 | 0.496 | 1.00 |
| 0.939 | 0.940 | 0.113 | 1.00 |
| 1.010 | 1.005 | 0.493 | 1.00 |
| 1.065 | 1.070 | 0.540 | 1.00 |
| 1.123 | 1.124 | 0.044 | 1.00 |
| 1.161 | 1.162 | 0.121 | 1.00 |
| 1.195 | 1.195 | 0.051 | 1.00 |
| 1.237 | 1.240 | 0.263 | 1.00 |
| 1.266 | 1.270 | 0.291 | 1.00 |
| 1.299 | 1.302 | 0.223 | 1.00 |
Obrázek 4 ukazuje, jak jsou v RWIND definovány povrchové zóny pro přesný výpočet koeficientů síly na každé straně modelu budovy vystaveného větru. 3D model s jednoduchým obdélníkovým tvarem má každou stranu přední, zadní, levou, pravou a horní přiřazenou odlišnou barevně označenou zónu. Tyto zóny umožňují RWIND analyzovat a vypočítat aerodynamické síly a distribuci tlaku nezávisle pro každý povrch. Místo umístění četných bodových sond jsme se rozhodli definovat povrchové zóny, protože RWIND může přímo určit koeficient síly pro každou definovanou zónu.
Ve středu Obrázku 4 je otevřené okno „Editovat zónu“ pro Zónu č. 2 – Přední, jako příklad. Tento podrobný výstup zahrnuje klíčové aerodynamické parametry. Projekce této zóny ve směru větru je 0.04 m². Vypočítaná odporová síla na tomto povrchu je 1.7 N a odpovídající koeficient síly (Cx) je 0.56. V následujícím vzorci je vypočítáván koeficient větrné síly (aerodynamický koeficient síly) pro specifickou tlakouvou zónu jako příklad. Tato hodnota pak může být porovnána s hodnotou zobrazenou v záložce Info v dialogu Editovat data modelu.
Obrázek 5 ukazuje výsledky post-processingu simulace větru provedené pro výškovou budovu s použitím modelu turbulence k-omega. Na pravé straně obrázku zobrazuje srovnávací tabulka koeficienty síly získané z CFD simulace spolu s referenčními hodnotami z WTG směrnice. Přední povrch má koeficient síly 0.562, oproti referenčním hodnotám WTG 0.540, což odpovídá odchylce 4.07%. Zadní povrch, na který se uplatňuje negativní tlak vlivem efektů probouzení, vykazuje mírně větší odchylku 6.09%. Boční povrchy také vykazují drobné rozdíly, s odchylkami v rozsahu od 3.68% do 5.38%. Zvláště důležité je, že celkový koeficient síly ve směru větru představující globální odporový efekt ukazuje odchylku pouze 1.95%, zdůrazňující přesnost a spolehlivost CFD simulace při zachycení celkového aerodynamického chování konstrukce.
Skutečné hodnoty síly v newtonech pro každou stranu budovy jsou zobrazeny pod touto tabulkou. Přední povrch je vystaven pozitivní odporové síle 1.7 N, zatímco zadní, pravý a levý povrch zažívají negativní síly kvůli sání a bočnímu odporu. Celková čistá síla ve směru větru činí 3.2 N, což se shoduje s globálním výstupem síly uvedeným v souhrnu síťování. Simulace využila referenční rychlost větru 11 m/s a plochu povrchu 0.04 m².
Tabulka 4 ukazuje, že RWIND přesně replikuje referenční střední koeficienty síly WTG na všech površích, s odchylkami v rozsahu od 1.95% do 6.09% a q=100% jako míra úspěšnosti. Nízká normalizovaná střední čtvercová chyba e²=0.0015 potvrzuje silnou shodu mezi simulací a měřeními, efektivně splňující standardy validace.
Tabulka 4: Validační metrika pro střední koeficienty síly mezi WTG a RWIND
| Koeficient síly | Cf,mean – WTG | Cf – RWIND – k-omega | Odchylka (%) | n |
|---|---|---|---|---|
| Přední povrch | 0.540 | 0.562 | 4.07 | 1.00 |
| Zadní povrch | –0.528 | –0.496 | 6.09 | 1.00 |
| Pravá boční strana | –0.829 | –0.860 | 3.68 | 1.00 |
| Levá boční strana | –0.847 | –0.893 | 5.38 | 1.00 |
| Celková síla ve směru větru | 1.070 | 1.058 | 1.95 | 1.00 |
| Celková síla ve příčném větru | 0.018 | 0.020 | 10.00 | 1.00 |
| Moment ve směru větru | 0.582 | 0.520 | 10.65 | 1.00 |
| Moment ve příčném větru | 0.010 | 0.0099 | 1.00 | 1.00 |
