Einführung
In der Windtechnik sind genaue Modellierungen und Validierungen entscheidend, um die strukturelle Integrität und aerodynamische Leistungsfähigkeit verschiedener Strukturen wie Antennen sicherzustellen (Bild 1). Aufgrund ihrer schlanken und oft auch nachgiebigen Art sind Antennen besonders anfällig für windinduzierte Kräfte wie wirbelerregte Schwingungen, Galloping und statische Wirbel. Diese dynamischen Effekte können zu erheblichen Bauwerksschwingungen, Materialermüdung und sogar Versagen führen, wenn in der Entwurfsphase nicht ausreichend berücksichtigt wird.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, ist eine strenge Validierung der Berechnungsmodelle erforderlich, um sicherzustellen, dass die theoretischen Vorhersagen mit der realen Leistung übereinstimmen. Ein Beispiel hierfür ist die Validierung von Antennen-Windlastsimulationen durch experimentelle Tests und CFD-Analysen (numerische Strömungsmechanik). Dieser Prozess ermöglicht es Ingenieuren, ihre Modelle zu verfeinern, die Genauigkeit zu verbessern und die Gesamtzuverlässigkeit von Antennenstrukturen unter verschiedenen Umweltbedingungen zu erhöhen.
In Zusammenarbeit mit der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen, einer führenden Institution im Bereich der Ingenieurwissenschaften und angewandten Wissenschaften, werden praktische Studien zu Antennenstrukturen durchgeführt, die Windlasten ausgesetzt sind. Durch die Kombination von theoretischen Ansätzen mit empirischen Daten soll die Kluft zwischen Simulation und Realität überbrückt und ein Beitrag zur Entwicklung sicherer und widerstandsfähigerer Antennenkonstruktionen geleistet werden. Diese Studie unterstreicht die Bedeutung der Validierung in der Windtechnik und zeigt, wie die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie zu präziseren Modellierungstechniken und verbesserter Tragwerksleistung in realen Anwendungen führen kann.
Beschreibung
Im aktuellen Validierungsbeispiel wird der Kraftbeiwert sowohl für die CFD-Simulation in RWIND als auch für die experimentelle Studie [1] der RWTH Aachen untersucht. Das zentrale Modell stellt eine Antenne mit rechteckigem Querschnitt dar, die sich über einer Gitterfläche befindet, die als Bodenebene bzw. Windkanalboden dient. Das Modell enthält mehrere magentafarbene Maßangaben für spezifische Abmessungen: Die Gesamthöhe der Antenne beträgt 0,50 m, ihr Fuß ist 0,20 m vom Boden entfernt, die Länge in y-Richtung beträgt 0,08 m und die obere Breite (in x-Richtung) der Antenne beträgt 0,056 m (Bild 2).
Analytische Lösung und Ergebnisse
Die erforderliche Annahme für die Windsimulation ist in der folgenden Tabelle dargestellt:
| Tabelle 1: Abmessungsverhältnis und Eingabedaten | |||
| Basiswindgeschwindigkeit | V | 10 | m/s |
| Seitenwindabmessung | b | 0,080 | m |
| Längswindabmessung | d | 0,058 | m |
| Höhe | href | 0.5 | m |
| Unterer Spalt | Spalt | 0,20 | m |
| Luftdichte - RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Windrichtungen | θWind | 0o bis 360o mit einem Schritt von 30o | Grad |
| Turbulenzmodell - RWIND | RANS k-ω SST stationär | - | - |
| Kinematische Viskosität (Gleichung 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Schemareihenfolge - RWIND | 2. | - | - |
| Differenz-Zielwert - RWIND | 10-4 | - | - |
| Differenztyp - RWIND | Druck | - | - |
| Mindestanzahl der Iterationen - RWIND | 800 | - | - |
| Grenzschicht - RWIND | NL | 10 | - |
| Art der Wandfunktion - RWIND | erweitert/gemischt | - | - |
| Turbulenzintensität | I | 3 % | - |
Die Windkraftbeiwerte für verschiedene Windrichtungen (θ = 0o bis 360o mit Schrittweite von 30o ) wurden mit RWIND bestimmt, wie in Bild 3 dargestellt. Die Ergebnisse lassen eine Abweichung von ca. 8 % von den experimentellen Daten erkennen.
Außerdem gibt es hier das Antennenmodell zum Herunterladen:
