Popis
V aktuálním validačním příkladu zkoumáme koeficient síly větru (Cf) pro krychlové konstrukce na základě evropské normy EN 1991-1-4 [1]. Existují trojrozměrné případy, které podrobněji vysvětlíme v další části.
Jedním z kritických aspektů simulace CFD je výběr přesných a kompatibilních konfigurací pro vstupní parametry, jako jsou modely turbulence, profily rychlosti větru, intenzita turbulence, podmínky mezní vrstvy a pořadí diskretizace. Eurokód (EN 1991-1-4) však neposkytuje podrobné pokyny k těmto numerickým nastavením. V aktuálním příkladu pro krychlovou konstrukci doporučujeme nastavení kompatibilní s normou Eurokód. Jak je vidět v normě EN 1991-1-4, existují různé tabulky a diagramy pro statický výpočet zatížení větrem.
Analytické řešení
Krychlové konstrukce se klasifikují do trojrozměrných kategorií na základě poměru výšky k hloubce, jak je definováno v tabulce 7.1 normy EN 1991-1-4 a znázorněno na obrázku 1. Vstupní parametry pro každou rozměrovou kategorii jsou definovány podle tabulky 1.
V prvním případě se uvažuje vysoká krychlová konstrukce s poměrem výšky k hloubce h/d=5. Odpovídající vstupní parametry jsou uvedeny v následující tabulce:
| ‚‘'Rozměrový poměr: h/d=5'‚‘ | |||
| Rychlost větru | V | 30 | m/s |
| Výška | h | 50 | m |
| Hloubka | d | 10 | m |
| Šířka | b | 12 | m |
| Poměr tělesa (vzorec 7.28, EN 1991-1-4) | φ | 1 | - |
| Efektivní štíhlostní poměr (tabulka 7.16, EN 1991-1-4) | λ | 5,83 | - |
| Faktor koncového účinku (obr. 7.36, EN 1991-1-4) | ψλ | 0,68 | - |
| Redukční součinitel (obr. 7.24, EN 1991-1-4) | ψr | 1 | - |
| Koeficient síly bez proudění na volném konci (obr. 7.23, EN 1991-1-4) | Cf,0 | 2,30 | - |
| Koeficient síly (rovnice 7.9, EN 1991-1-4) | Cf | 1,564 | - |
| Hustota vzduchu - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Model turbulence - RWIND | Steady RANS k-ω SST | - | - |
| Kinematická viskozita (rovnice 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Řád schématu - RWIND | Druhý | - | - |
| Cílové reziduum - RWIND | 10-5 | - | - |
| Typ rezidua - RWIND | Tlak | - | - |
| Minimální počet iterací - RWIND | 800 | - | - |
| Mezní vrstva - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ funkce stěny - RWIND | Vylepšená / Smíšená | - | - |
| Intenzita turbulence (nejlepší shoda) – RWIND | I | 15% | - |
V dalším případě uvažujeme středně vysokou krychlovou konstrukci s poměrem výšky k hloubce h/d=1. Odpovídající vstupní parametry jsou uvedeny v následující tabulce:
| ‚‘'Rozměrový poměr: h/d=1'‚‘ | |||
| Rychlost větru | V | 30 | m/s |
| Výška | h | 10 | m |
| Hloubka | d | 10 | m |
| Šířka | b | 12 | m |
| Poměr tělesa (rovnice 7.28, EN 1991-1-4) | φ | 1 | - |
| Efektivní štíhlostní poměr (tabulka 7.16, EN 1991-1-4) | λ | 1,66 | - |
| Faktor koncového účinku (obr. 7.36 , EN 1991-1-4) | ψλ | 0,62 | - |
| Redukční součinitel (obr. 7.24, EN 1991-1-4) | ψr | 1 | - |
| Koeficient síly bez proudění na volném konci (obr. 7.23, EN 1991-1-4) | Cf,0 | 2,30 | - |
| Koeficient síly (rovnice 7.9, EN 1991-1-4) | Cf | 1,426 | - |
| Hustota vzduchu - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Model turbulence - RWIND | Steady RANS k-ω SST | - | - |
| Kinematická viskozita (rovnice 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Řád schématu - RWIND | Druhý | - | - |
| Cílové reziduum - RWIND | 10-5 | - | - |
| Typ rezidua - RWIND | Tlak | - | - |
| Minimální počet iterací - RWIND | 800 | - | - |
| Mezní vrstva - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ funkce stěny - RWIND | Vylepšená / Smíšená | - | - |
| Intenzita turbulence (nejlepší shoda) – RWIND | I | 7,5 % | - |
V posledním případě je uvažována nízká krychlová konstrukce s poměrem výšky k hloubce h/d=0,25. Odpovídající vstupní parametry jsou uvedeny v následující tabulce:
| ‚‘'Rozměrový poměr: h/d=0,25'‚‘ | |||
| Rychlost větru | V | 30 | m/s |
| Výška | h | 2,50 | m |
| Hloubka | d | 10 | m |
| Šířka | b | 2,50 | m |
| Poměr tělesa (rovnice 7.28, EN 1991-1-4) | φ | 1 | - |
| Efektivní štíhlostní poměr (tabulka 7.16, EN 1991-1-4) | λ | 2 | - |
| Faktor koncového účinku (obr. 7.36, EN 1991-1-4) | ψλ | 0,63 | - |
| Redukční součinitel (obr. 7.24, EN 1991-1-4) | ψr | 1 | - |
| Koeficient síly bez proudění na volném konci (obr. 7.23, EN 1991-1-4) | Cf,0 | 1,20 | - |
| Koeficient síly (rovnice 7.9, EN 1991-1-4) | Cf | 0,756 | - |
| Hustota vzduchu - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Model turbulence - RWIND | Steady RANS k-ω SST | - | - |
| Kinematická viskozita (rovnice 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Řád schématu - RWIND | Druhý | - | - |
| Cílové reziduum - RWIND | 10-5 | - | - |
| Typ rezidua - RWIND | Tlak | - | - |
| Minimální počet iterací - RWIND | 800 | - | - |
| Mezní vrstva - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ funkce stěny - RWIND | Vylepšená / Smíšená | - | - |
| Intenzita turbulence (nejlepší shoda) – RWIND | I | 15% | - |
Výsledky
Koeficienty síly větru (Cf) jsou vyhodnoceny pro různé poměry výšky k hloubce a intenzity turbulence. Pro první případ, výškovou krychlovou konstrukci s h/d=5, je výsledná hodnota Cf uvedena v následující tabulce:
| ‚‘'Intenzita turbulence (%) (h/d=5)‚‘' | Fd (N) | ρ (kg/m3) | u (m/s) | A (m2) | Cf |
| 1,00 - RWIND | 498829 | 1,25 | 30 | 600 | 1,478 |
| 5,00 - RWIND | 518278 | 1,25 | 30 | 600 | 1,536 |
| 7,50 - RWIND | 521515 | 1,25 | 30 | 600 | 1,545 |
| 10,00 - RWIND | 520397 | 1,25 | 30 | 600 | 1,542 |
| 15,00 - RWIND | 525011 | 1,25 | 30 | 600 | 1,556 |
| 20,00 - RWIND | 533059 | 1,25 | 30 | 600 | 1,579 |
| 25,00 - RWIND | 543164 | 1,25 | 30 | 600 | 1,609 |
| Eurokód | - | - | - | - | 1,564 |
Pro druhý případ, středně vysokou krychlovou konstrukci s h/d=1, je odpovídající hodnota Cf uvedena v následující tabulce:
| ‚‘'Intenzita turbulence (%) (h/d=1)‚‘' | Fd (N) | ρ (kg/m3) | u (m/s) | A (m2) | Cf |
| 1,00 - RWIND | 97148 | 1,25 | 30 | 120 | 1,439 |
| 5,00 - RWIND | 95497 | 1,25 | 30 | 120 | 1,415 |
| 7,50 - RWIND | 96420 | 1,25 | 30 | 120 | 1,428 |
| 10,00 - RWIND | 96453 | 1,25 | 30 | 120 | 1,429 |
| 15,00 - RWIND | 96666 | 1,25 | 30 | 120 | 1,432 |
| 20,00 - RWIND | 91027 | 1,25 | 30 | 120 | 1,349 |
| 25,00 - RWIND | 89827 | 1,25 | 30 | 120 | 1,331 |
| Eurokód | - | - | - | - | 1,426 |
Pro poslední případ, nízkou krychlovou konstrukci s h/d=0,25, je odpovídající hodnota Cf uvedena v následující tabulce:
| ‚‘'Intenzita turbulence (%) (h/d=0,25)‚‘' | Fd (N) | ρ (kg/m3) | u (m/s) | A (m2) | Cf |
| 1,00 - RWIND | 2711 | 1,25 | 30 | 6,25 | 0,771 |
| 5,00 - RWIND | 2692 | 1,25 | 30 | 6,25 | 0,766 |
| 7,50 - RWIND | 2671 | 1,25 | 30 | 6,25 | 0,760 |
| 10,00 - RWIND | 2667 | 1,25 | 30 | 6,25 | 0,759 |
| 15,00 - RWIND | 2650 | 1,25 | 30 | 6,25 | 0,754 |
| 20,00 - RWIND | 2662 | 1,25 | 30 | 6,25 | 0,757 |
| 25,00 - RWIND | 2630 | 1,25 | 30 | 6,25 | 0,748 |
| Eurokód | - | - | - | - | 0,756 |
Závěr
Výsledky ukazují velkou shodu mezi koeficienty síly větru získanými ze simulací v programu RWIND a koeficienty specifikovanými v Eurokódu (EN 1991-1-4). Na základě analýzy je navržen doporučený rozsah intenzity turbulence pro různé poměry výšky k hloubce (h/d). Konkrétně intenzity turbulence mezi 7,5 % a 15 % poskytují přesnější předpovědi koeficientu síly větru (Cf).
Další klíčový poznatek se týká velikosti větrného tunelu použitého v simulaci. Zatímco standardní kóty větrného tunelu byly dostačující pro první dva případy (h/d = 5 a h/d = 1), poslední případ (h/d = 0,25) vyžadoval úpravu velikosti větrného tunelu, aby bylo dosaženo vyšší přesnosti výsledků.
Krychlový model s doporučenými nastaveními simulace je k dispozici ke stažení zde:
