Beschreibung
Dieser Verifikationsfall, basierend auf dem Dokument des deutschen WTG: Merkblatt des Fachausschusses 3 - Numerische Simulation von Windströmungen, Kapitel 9.2 (siehe Referenzen), vergleicht numerische Strömungsmechanik-Berechnungen von Winddruckbeiwerten mit experimentellen Daten aus der aerodynamischen Datenbank der Tokyo Polytechnic University (TPU) (siehe Referenzen). Die Analyse konzentriert sich auf ein Hochhausmodell (Verhältnis 2:1:5). Die Grenzschicht-Windkanaldaten der TPU – durch peer-reviewte Studien streng validiert und über deren Wind Engineering-Portal öffentlich zugänglich – liefern Vergleichsmetriken zur Beurteilung der Genauigkeit von Turbulenzmodellen und der Auswirkungen der Netzsensitivität.
Während im Verifikationsbeispiel VE0311 | Vergleich der Windlasten auf ein Hochhaus aus Windkanaltests und CFD-Simulation die Standard-nutkWallFunction verwendet wurde, bewertet dieses Beispiel die Leistungsfähigkeit der USpaldingWallFunction, die ein kontinuierliches Geschwindigkeitsprofil über die gesamte Grenzschicht liefert. Zu den wichtigsten Vergleichsparametern gehören die Mittelwerte der Druckbeiwerte an kritischen Gebäudezonen (Luvseite, Seitenwände, Ablösebereiche auf der Leeseite) für beide Wandfunktionen im Vergleich zu den experimentellen Daten.
| Fluideigenschaften | Kinematische Viskosität | ν | 1,500e-5 | m2/s |
| Dichte | ρ | 1,250 | kg/m3 | |
| Windkanal | Länge | Dx | 2720,000 | m |
| Breite | Dy | 900,000 | m | |
| Höhe | Dz | 720,000 | m | |
| Gebäude | Breite | B | 80,000 | m |
| Tiefe | D | 40,000 | m | |
| Höhe | H | 200,000 | m | |
| Berechnungsparameter | Referenzgeschwindigkeit | uref | 22,000 | m/s |
| Referenzhöhe | zref | 10,000 | m | |
| Von-Kármán-Konstante | κ | 0,410 | ||
| Turbulenzviskositätskonstante | Cμ | 0,090 | ||
| Aerodynamische Rauigkeitslänge | z0 | 1,000 | m |
Analytische Lösung
Eine analytische Lösung ist nicht verfügbar. Das Beispiel bietet einen Vergleich von RWIND CFD-Simulationsergebnissen und experimentellen Daten (TPU Aerodynamic Database).
Das Windgeschwindigkeitsprofil wird aus dem Potenzgesetz nach folgender Formel berechnet:
wobei der Profilexponent α definiert ist als
Die Turbulenzintensität wird der TPU Aerodynamic Database gemäß dem folgenden Diagramm für α=0,25 entnommen.
RWIND Simulationseinstellungen
- Modelliert in RWIND 3.07
- Transienter Strömungssimulationstyp
- Netzdichte beträgt 20 % mit Verfeinerungen: 5.698.702 Zellen
- Spalart-Allmaras DDES-Modell
- Wandfunktion: USpaldingWallFunction (Ergebnisse verglichen mit nutkWallFunction aus VE 000311)
- Einlassrandbedingung - Geschwindigkeitsprofil und Turbulenzintensitätsprofil
- Kanalboden - Haftrandbedingung
- Kanalwände und -decke - Gleitrandbedingung
- Auslassrandbedingung - Nulldruck; Geschwindigkeitsgradient Null
- Es wird eine schrittweise Berechnung durchgeführt, die einen benutzerdefinierten Eintrag der angewendeten Wandfunktion direkt in die Quelldatei einbezieht. Das verwendete Modell ist identisch mit dem im Verifikationsbeispiel 0311.
Ergebnisse
Ein grafischer Vergleich der mittleren Winddruckbeiwerte, die mit der nutkWallFunction und der USpaldingWallFunction in RWIND-Simulationen ermittelt wurden, wird für die Luv-, Lee-, rechte und linke Gebäudefläche dargestellt. Diese simulierten Werte werden mit den gemittelten Zeitreihendaten verglichen, die an Testpunkten aus der TPU Aerodynamic Database gemessen wurden. Insgesamt wird keine signifikante Abweichung in den berechneten Daten zwischen den beiden Methoden festgestellt, was die Sensitivität – und Stabilität – der Druckverteilung gegenüber der gewählten Wandfunktionsbehandlung über die verschiedenen Gebäudezonen hinweg veranschaulicht.
Anmerkung: Die in den Diagrammen gezeigten experimentellen Daten basieren auf Datendateien, die von der TPU-Website bezogen wurden. Allerdings stimmen die auf der TPU-Website gezeigten Diagramme nur im Fall der Luvseite mit den Datendateien überein.
