Příběh uživatele
V tomto příkladu vypočítáme průměrovaný součinitel tlaku větru (Cp), který patří do Skupiny 2, podle Obrázku 2.2 v WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Absolutní hodnoty se středními požadavky na přesnost. Oblast použití může zahrnovat parametrické nebo předběžné studie, pokud jsou plánována pozdější šetření s vyšší přesností (např. zkouška ve větrném tunelu třídy G3).
- R2: Samostatná stavba, všechny relevantní směry větru s dostatečně jemným směrovým rozlišením.
- Z2: Statistické střední hodnoty a směrodatné odchylky, pokud se týkají stacionárních proudových procesů, pro které postačuje statistické ověření fluktuací pomocí součinitele špičky.
- S1: Statické účinky. Jsou dostatečné pro reprezentaci konstrukčního modelu s nezbytnými mechanickými detaily, ale bez vlastností hmotnosti a tlumení.
Popis
Tento ověřovací případ, založený na dokumentu německého WTG: Informační list výboru 3 - Numerická simulace proudění větru, kapitola 9.2 (viz odkazy), porovnává výpočty součinitelů tlaku větru pomocí výpočetní dynamiky tekutin s experimentálními daty z aerodynamické databáze Tokijské polytechnické univerzity (TPU) (viz odkazy). Analýza se zaměřuje na model výškové budovy (poměr 2:1:5). Data TPU z mezní vrstvy větrného tunelu – přísně validovaná prostřednictvím recenzovaných studií a veřejně přístupná prostřednictvím jejich portálu pro větrné inženýrství – poskytují referenční metriky pro posouzení přesnosti modelování turbulence a vlivů citlivosti sítě. Mezi klíčové porovnávací parametry patří střední hodnoty součinitelů tlaku v kritických zónách budovy (návětrná strana, boční stěny, závětrné separační oblasti).
| 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 turbulentní viskozity | Cμ | 0,090 | ||
| Délka aerodynamické drsnosti povrchu | z0 | 1,000 | m |
Analytické řešení
Není k dispozici žádné analytické řešení. Příklad poskytuje srovnání výsledků CFD simulace RWIND a experimentálních dat (Aerodynamická databáze TPU).
Profil rychlosti větru je vypočítán pomocí mocninného zákona podle následujícího vzorce:
kde exponent profilu α je definován jako
Intenzita turbulence je převzata z Aerodynamické databáze TPU podle následujícího grafu pro α=0,25.
Nastavení simulace RWIND
- Modelováno v RWIND 3.04
- Typ simulace přechodového proudění
- Hustota sítě je 20 % se zjemněními: 5 698 702 buněk
- Model Spalart-Allmaras DDES
- Vstupní okrajová podmínka - profil rychlosti a profil intenzity turbulence
- Dno tunelu - okrajová podmínka bez prokluzu
- Stěny a strop tunelu - okrajová podmínka s prokluzem
- Výstupní okrajová podmínka - nulový tlak; nulový gradient rychlosti
Požadavek na přesnost dle WTG-Merkblatt M3
WTG-Merkblatt M3 poskytuje dvě klíčové metody pro validaci výsledků simulace. Metoda Hit Rate (q) vyhodnocuje, kolik simulovaných hodnot Pi správně odpovídá referenčním hodnotám Oi v rámci definované tolerance, za použití binárního klasifikačního přístupu (trefa nebo netrefa). Tento přístup hodnotí spolehlivost simulace výpočtem míry shody q, podobně jako funkce spolehlivosti používané v teorii spolehlivosti. Naproti tomu metoda Normalizované střední kvadratické chyby (e2) nabízí podrobnější hodnocení přesnosti kvantifikací průměrné kvadratické odchylky mezi simulovanými a referenčními hodnotami, normalizované pro zohlednění rozdílů v měřítku. Společně tyto metody poskytují jak kvalitativní, tak kvantitativní měřítka pro validaci simulace.
Výsledky
Požadované hodnoty parametru míry shody q jsou více než 90 % a relativní střední kvadratická chyba by měla být nižší než 0,01. Z následující tabulky je zřejmé, že srovnání experimentálních dat z TPU s výsledky simulace proudění v RWIND nesplňuje požadavky.
| Povrch | q [%] pro Wrel = 10% | q [%] pro Wrel = 20% | e2 [1] |
| Návětrný | 27,3 | 72,7 | 0,035 |
| Pravý boční | 0,0 | 9,1 | 0,114 |
| Levý boční | 27,3 | 45,5 | 0,121 |
| Závětrný | 0,0 | 0,0 | 0,118 |
V následujících grafech jsou průměrné součinitele tlaku větru získané pomocí simulace RWIND porovnány se středními hodnotami z časových řad v testovacích bodech naměřenými pomocí Aerodynamické databáze TPU. Porovnání jsou provedena na návětrném, pravém bočním, levém bočním a závětrném povrchu budovy.
Grafy ukazují velmi dobrou shodu na návětrné ploše. Součinitele tlaku větru jsou klíčové pro zatížení budov, zejména na této ploše. V případě ostatních ploch je patrná dobrá shoda mezi trendem výsledků simulace a experimentem.
Poznámka: Experimentální data zobrazená v grafech jsou vynesena na základě datových souborů získaných z webových stránek TPU. Grafy zobrazené na webových stránkách TPU se však shodují s datovými soubory pouze v případě návětrné plochy.
