Uživatelský příběh
V tomto příkladu budeme počítat průměrný součinitel tlaku větru (Cp), který patří do Skupiny 2, podle Obrázku 2.2 v WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Absolutní hodnoty s požadavky na střední přesnost. Oblast použití může zahrnovat parametry nebo předběžné studie, když se plánují pozdější vyšetření s vyšší přesností (např. zkouška v aerodynamickém tunelu třídy G3).
- R2: Samostatné, všechny relevantní směry větru s dostatečně jemným směrovým rozlišením.
- Z2: Statistické průměrné hodnoty a standardní odchylky, pokud se jedná o stacionární proudové procesy, pro které je dostatečná statistická verifikace fluktuací s koeficientem špičky.
- S1: Statické účinky. Jsou dostatečné k reprezentaci konstrukčního modelu s potřebnými mechanickými detaily, ale bez vlastností hmotnosti a tlumení.
Popis
Tento validační případ, založený na dokumentu německého WTG: Informační list Komise 3 - Numerická simulace větrných proudů, Kapitola 9.2 (viz odkazy), porovnává výpočty dynamiky tekutin (CFD) součinitelů tlaku větru s experimentálními daty z aerodynamické databáze Tokyo Polytechnic University (TPU) (viz odkazy). Analýza se zaměřuje na model výškové budovy (poměr 2:1:5). Databáze TPU pro aerodynamické proudění v mezní vrstvě, rigorózně ověřená prostřednictvím recenzovaných studií a veřejně dostupná prostřednictvím jejich portálu pro větrné inženýrství, poskytuje referenční metriky pro posouzení přesnosti modelování turbulence a účinků citlivosti mřížky. Klíčové parametry porovnání zahrnují průměrné hodnoty součinitelů tlaku v kritických oblastech budovy (nástavitelná tvář, boční stěny, oblasti oddělení návětrných stran).
| Vlastnosti tekutiny | Kinematická viskozita | ν | 1,500e-5 | m2/s |
| Hustota | ρ | 1,250 | kg/m3 | |
| Větrný tunel | Délka | Dx | 2720,000 | m |
| Šířka | Dy | 900,000 | m | |
| Výška | Dz | 720,000 | m | |
| Budova | Šířka | B | 80,000 | m |
| Hloubka | D | 40,000 | m | |
| Výška | H | 200,000 | m | |
| Parametry výpočtu | Referenční rychlost | uref | 22,000 | m/s |
| Referenční výška | zref | 10,000 | m | |
| Konstantní von Kármán | κ | 0,410 | ||
| Konstantní turbulence viskozity | Cμ | 0,090 | ||
| Aerodynamická délka drsnosti povrchu | z0 | 1,000 | m |
Analytické řešení
Není k dispozici žádné analytické řešení. Příklad poskytuje porovnání výsledků simulace RWIND CFD a experimentálních dat (TPU Aerodynamická databáze).
Profil rychlosti větru je vypočítán z Mocninného zákona podle následujícího vzorce:
kde exponent profilu α je definován jako
Intenzita turbulence je převzata z TPU Aerodynamické databáze podle následujícího grafu pro α=0,25.
Nastavení simulace RWIND
- Modelováno v RWIND 3.04
- Typ simulace proudění: přechodné
- Hustota mřížky je 20 % s vylepšením: 5,698,702 buněk
- Model Spalart-Allmaras DDES
- Okrajová podmínka vstupu - profil rychlosti a profil intenzity turbulence
- Spodní tunel - bezkluzová okrajová podmínka
- Stěny a horní část tunelu - kluzná okrajová podmínka
- Okrajová podmínka výstupu - nulový tlak; gradient nulové rychlosti
Požadavek na přesnost podle WTG-Merkblatt M3
WTG-Merkblatt M3 poskytuje dvě klíčové metody pro validaci výsledků simulace. Metoda Hit Rate (q) hodnotí, kolik ze simulovaných hodnot Pi správně odpovídá referenčním hodnotám Oi v rámci definované tolerance pomocí binárního klasifikace (přesný zásah nebo chybné vyloučení). Tato metoda posuzuje spolehlivost simulace počítáním míry zásahu q, podobně jako konfidenční funkce používané v teorii spolehlivosti. Naproti tomu metoda Normalizovaná střední kvadratická chyba (e2) nabízí podrobnější hodnocení přesnosti kvantifikováním průměrné kvadratické odchylky mezi simulovanými a referenčními hodnotami, normalizované, aby zohlednily rozdíly ve škále. Společně tyto metody poskytují jak kvalitativní, tak kvantitativní opatření pro validaci simulace.
Výsledky
Požadované hodnoty parametru míry zásahu q jsou více než 90 % a relativní střední kvadratická chyba by měla být nižší než 0,01. Z následující tabulky je jasné, že porovnání experimentálních dat z TPU s výsledky simulace proudění v RWIND nesplňuje požadavky.
| Povrch | q [%] pro Wrel = 10% | q [%] pro Wrel = 20% | e2 [1] |
| Návedrový | 27,3 | 72,7 | 0,035 |
| Pravý postranní | 0,0 | 9,1 | 0,114 |
| Levý postranní | 27,3 | 45,5 | 0,121 |
| Závětrný | 0,0 | 0,0 | 0,118 |
Na následujících grafech jsou průměrné součinitele tlaku větru získané prostřednictvím simulace RWIND porovnány s průměrnými hodnotami z časových řad v testovacích bodech měřených prostřednictvím TPU Aerodynamické databáze. Porovnání se provádějí na návětrných, pravých postranních, levých postranních a závětrných površích budovy.
Grafy ukazují velmi dobrou shodu na návětrné straně. Součinitele tlaku větru jsou klíčové pro zatížení budov, zejména na této straně. V případě jiných povrchů je vidět dobrá shoda mezi trendem výsledků simulace a experimentem.
Poznámka: Experimentální data zobrazená v grafech jsou vykreslena na základě datových souborů získaných z webu TPU. Nicméně grafy zobrazené na webu TPU odpovídají datovým souborům pouze v případě návětrného povrchu.
