Popis
Tento ověřovací případ, založený na dokumentu německého WTG: Informační list Výboru 3 - Numerická simulace proudění větrů, Kapitola 9.2 (viz reference), porovnává výpočty dynamiky proudění kapalin (CFD) koeficientů tlaku větru s experimentálními daty z aerodynamické databáze Tokijské polytechnické univerzity (TPU) (viz reference). Analýza se zaměřuje na model výškové budovy (poměr 2:1:5). Data z větrného tunelu TPU uzemní vrstvy, důkladně validovaná prostřednictvím recenzovaných studií a veřejně přístupná prostřednictvím jejich portálu větrného inženýrství, poskytují srovnávací měřítka pro posouzení přesnosti modelování turbulencí a citlivosti sítě. Klíčové parametry pro porovnání zahrnují střední hodnoty koeficientů tlaku v kritických zónách budovy (návětrná strana, boční stěny, oblasti odloučení závětří).
| 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 | |
| von Kármánova konstanta | κ | 0,410 | ||
| Konstanta turbulence viskozity | Cμ | 0,090 | ||
| Aerodynamická drsnost povrchu | z0 | 1,000 | m |
Analytické řešení
Analytické řešení není k dispozici. Příklad poskytuje srovnání výsledků simulace RWIND CFD a experimentálních dat (TPU Aerodynamic Database).
Profil rychlosti větru je vypočítán z Power Law podle následujícího vzorce:
kde exponent profilu α je definován jako
Intenzita turbulence se bere z TPU Aerodynamic Database podle následujícího grafu pro α=0,25.
Nastavení simulace RWIND
- Modelováno v RWIND 3.04
- Typ simulace nestacionárního proudění
- Hustota sítě je 20 % s upřesněním: 5,698,702 buněk
- Model Spalart-Allmaras DDES
- Okrajová podmínka vstupu - profil rychlosti a profil intenzity turbulence
- Spodní část tunelu - bezkluzová okrajová podmínka
- Stěny a horní část tunelu - kluzová okrajová podmínka
- Výstupní okrajová podmínka - nulový tlak; nulový gradient rychlosti
Výsledky
Metrix validace je vypočten podle WTG: Informační list Výboru 3 - Numerická simulace proudění větrů, Kapitola 5.3.2 (viz reference). Nejprve se vypočítá hodnota parametru hit rate q pro střední hodnotu koeficientu tlaku. Je zohledněna relativní odchylka Wrel.
|
N |
Total number of data points |
|
ni |
Indicator function (1 if prediction is “correct”, 0 otherwise) |
|
Pi |
Predicted value |
|
Oi |
Reference value |
|
Wrel |
Allowed relative deviation |
Alternativně lze také vypočítat relativní střední kvadratickou chybu e2 podle následujícího vzorce.
Požadované hodnoty parametru hit rate q jsou více než 90 % a relativní střední kvadratická chyba by měla být nižší než 0,01. Z následující tabulky je zřejmé, že porovnání experimentálních dat z TPU a výsledků simulace proudění v RWIND nesplňuje požadavky.
| Povrch | q [%] pro Wrel = 10 % | q [%] pro Wrel = 20 % | e2 [1] |
| Návětrná | 27,3 | 72,7 | 0,035 |
| Pravá boční | 0,0 | 9,1 | 0,114 |
| Levá boční | 27,3 | 45,5 | 0,121 |
| Závětrná | 0,0 | 0,0 | 0,118 |
V následujících grafech jsou průměrné koeficienty tlaku větru získané pomocí simulace RWIND porovnány s průměrnými hodnotami z časových řad v testovacích bodech měřených pomocí aerodynamické databáze TPU. Srovnání jsou prováděna na návětrné, pravé boční, levé boční a závětrné ploše budovy.
Grafy ukazují velmi dobrou shodu na návětrné ploše. Koeficienty tlaku větru jsou klíčové pro zatížení budovy, zejména na této ploše. V případě ostatních ploch 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. Grafy zobrazené na webu TPU však odpovídají datovým souborům pouze v případě návětrné plochy.
