H.1.5.1. Skupina 1: Součinitel síly a momentu

Příběh uživatele

V tomto příkladu spočítáme průměrný součinitel síly a součinitel momentu pro Tokijská polytechnická univerzita (TPU) jako experimentální příklad (M0/S0), například ty, které se vztahují na proces statických výpočtů na základě WTG-Merkblatt-M3.

Tato část výsledků patří do „skupiny 1“ podle „obrázku 2.2“ ve WTG-Merkblatt-M3:

• G2: Absolutní hodnoty se středními požadavky na přesnost. Oblast použití může zahrnovat parametry nebo předběžné studie, pokud jsou plánovány pozdější studie s vyšší přesností (např. zkouška ve větrném tunelu třídy G3).
• R2: Samostatné, všechny relevantní směry větru s dostatečně jemným rozlišením směru.
• Z1: Statistické střední hodnoty, pokud se týkají stacionárních procesů proudění, kde lze kolísání (např. v důsledku přibližující se turbulence proudění) dostatečně zachytit jinými opatřeními.
• S1: Statické účinky. Stačí znázornit statický model s nezbytnými mechanickými detaily, ale bez hmoty a tlumicích vlastností.

Popis

Toto srovnání, které zkoumá aerodynamické chování v různých rovinách, má za cíl poskytnout komplexnější pochopení rozložení sil. Tyto poznatky jsou zásadní pro hodnocení celkové stability modelu, aerodynamického výkonu a odezvy konstrukce za podmínek proudění. Průměrné profily rychlosti a intenzity turbulence proudění reprodukované ve větrném tunelu odpovídají profilům terénní kategorie IV podle normy Japonského architektonického institutu (AIJ). Exponent 0,25 uvedený v některých číslech byl po dotazu klasifikován jako typografická chyba. Předpokládaný model je znázorněn na obrázku 1:

1 Model RWIND příkladu WTG, část 9.2

Předpoklady, z nichž vychází analýza a simulace, jsou shrnuty v tabulce 1, která nabízí jasný přehled parametrů a podmínek zohledněných v celé studii.

Tabulka 1: Vstupní data 3D obdélníkového modelu

Studie výpočetní sítě

Obrázek 2 shrnuje studii citlivosti sítě a ukazuje, že s nárůstem hustoty sítě z 20 % na 55 % se součinitel síly (Cf) zvyšuje z 0,95 na 1,05 a poté se stabilizuje. To naznačuje, že simulace dosahuje nezávislosti na síti při 55 %, což znamená, že další zahuštění sítě již významně nemění výsledky. Obrázek zdůrazňuje význam kvality sítě pro zajištění spolehlivých výsledků simulace větru.

2 Analýza citlivosti sítě

Studii vytvoření sítě je nutné provést podle následujícího odkazu:

• Studie výpočtové sítě

Obrázek 3 představuje diagram, který porovnává výsledky RWIND s experimentálními daty, pokud jde o vykreslení normalizovaných rychlostních profilů podle výšky. Výsledky vykazují velmi dobrou shodu.

3 Porovnání profilů rychlostí u/uref podle výšky

Požadavky na přesnost WTG-Merkblatt

WTG-Merkblatt M3 poskytuje dvě klíčové metody pro ověření výsledků simulace. Metoda „Hit Rate“ vyhodnocuje, kolik simulovaných hodnot P_i správně odpovídá referenčním hodnotám O_i v rámci definované tolerance, a to pomocí binární klasifikace (hit nebo miss). Tento přístup hodnotí spolehlivost simulace výpočtem míry úspěšnosti q, podobně jako funkce spolehlivosti používané v teorii spolehlivosti. Naopak metoda „normalizované střední kvadratické chyby“ (e²) nabízí podrobnější hodnocení přesnosti kvantifikací průměrné kvadratické odchylky mezi simulovanými a referenčními hodnotami, normalizované tak, aby zohledňovala rozdíly ve stupnici. Společně tyto metody poskytují jak kvalitativní, tak kvantitativní měřítka pro ověření simulace.

• Validace výsledků simulace pomocí metody hit rate popsané v dokumentu WTG-Merkblatt M3

• Vyhodnocení přesnosti výsledků pomocí normalizované střední kvadratické chyby definované ve WTG-Merkblatt M3

Výsledky a diskuse

Tabulka 3 ukazuje velmi dobrou shodu mezi výsledky RWIND a referenčními údaji WTG pro normalizované hodnoty rychlosti. Všechny odchylky jsou v přijatelném rozmezí (pod 10 %), takže je dosaženo „míry úspěšnosti“ „q = 100 %“ a „normalizovaná střední kvadratická chyba“ „e² = 0,00001“ je extrémně nízká. Tyto výsledky potvrzují, že program RWIND přesně reprodukuje referenční profil větru a splňuje přísná validační kritéria.

Tabulka 3: Metrika validace pro rychlostní profil

Obrázek 4 ilustruje, jak jsou v programu RWIND definovány zóny plochy pro přesný výpočet součinitelů síly na každé ploše modelu budovy vystavené působení větru. 3D model s jednoduchým obdélníkovým tvarem má každé ploše (přední, zadní, levé, pravé a horní) přiřazenu samostatnou zónu označenou barevným kódem. Tyto zóny umožňují programu RWIND samostatně analyzovat a vypočítat aerodynamické síly a rozložení tlaku nezávisle pro každý povrch. Místo umístění četných bodových sond jsme se rozhodli definovat povrchové zóny, protože program RWIND může přímo určit součinitel síly pro každou definovanou zónu.

Ve středu obrázku 4 je otevřeno okno „Upravit zónu“ pro zónu č. 2 – přední jako příklad. Tento podrobný výstup obsahuje klíčové aerodynamické parametry. Promítnutá plocha této zóny ve směru větru je 0,04 m². Vypočtená odporová síla na této ploše je 1,7 N a odpovídající součinitel síly (C_x) je 0,56. V následujícím vzorci je jako příklad vypočítán součinitel síly větru (aerodynamický součinitel síly) pro konkrétní tlakovou zónu. Tuto hodnotu lze poté porovnat s hodnotou zobrazenou na záložce Info v dialogovém okně Upravit data modelu.

4 Výsledky pro různé zóny

Obrázek 5 zobrazuje výsledky následného zpracování simulace větru provedené pro vysokopodlažní budovu pomocí modelu turbulence k-omega. Na pravé straně obrázku je srovnávací tabulka, která obsahuje koeficienty síly získané z CFD simulace spolu s referenčními hodnotami z pokynů WTG. Přední plocha má součinitel síly 0,562, zatímco referenční hodnota WTG je 0,540, což odpovídá odchylce 4,07 %. Zadní plocha, která je vystavená podtlaku v důsledku jevů v úplavu, vykazuje mírně větší odchylku 6,09 %. Boční plochy také vykazují malé rozdíly s odchylkami v rozmezí 3,68 % až 5,38 %. Je pozoruhodné, že celkový součinitel síly ve směru větru, který představuje globální odporový účinek, vykazuje pouze odchylku 1,95 %, což podtrhuje přesnost a spolehlivost CFD simulace při zachycení celkového aerodynamického chování konstrukce.

Skutečné hodnoty síly v newtonech pro každou stranu budovy jsou uvedeny pod touto tabulkou. Přední plocha je vystavena kladné odporové síle 1,7 N, zatímco zadní, pravá a levá plocha jsou vystaveny záporným silám v důsledku sání a bočního odporu. Celková čistá síla ve směru větru činí 3,2 N, což odpovídá celkové síle uvedené v souhrnu sítě. V simulaci byla použita referenční rychlost větru 11 m/s a plocha čela 0,04 m².

5 Porovnání koeficientů síly mezi RWIND a WTG

Tabulka 4 ukazuje, že program RWIND přesně replikuje referenční průměrné součinitele síly WTG na všech plochách, s odchylkami v rozmezí od 1,95 % do 6,09 % a ‚‘'q=100 % jako míra shody‘‘. Nízká normalizovaná střední kvadratická chyba e2=0,0015 potvrzuje výraznou shodu mezi simulací a měřeními, čímž účinně splňuje validační standardy.

Metrika validace pro součinitele síly mezi WTG a RWIND

196x

26x

WTG příklad - Část 9.2