Podlaží uživatele
V tomto příkladu vypočítáme průměrný 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 parametry nebo předběžné studie, pokud jsou plánována pozdější vyšetření s vyšší přesností (např. zkouška ve větrném tunelu třídy G3).
- ‚‘'R2:‚‘' Samostatné, všechny relevantní směry větru s dostatečně jemným rozlišením směru.
- ‚‘'Z2:‚‘' Statistické střední hodnoty a směrodatné odchylky, pokud se jedná o stacionární proudění, pro které stačí statistická verifikace fluktuací s vrcholovým faktorem.
- ‚‘'S1:‚‘' Statické účinky. Stačí k reprezentaci modelu konstrukce s nezbytnými mechanickými detaily, ale bez hmotnosti a tlumících vlastností.
Popis
Tento ověřovací případ, založený na dokumentu německé WTG: Informační list výboru 3 – Numerická simulace proudění větru, kapitola 9.2 (viz odkazy), porovnává výpočty součinitele tlaku větru pomocí výpočetní dynamiky tekutin s experimentálními údaji z aerodynamické databáze Tokijské polytechnické univerzity (TPU) (viz odkazy). Analýza se zaměřuje na model výškové budovy (poměr 2:1:5). Údaje o mezní vrstvě z větrného tunelu TPU – přísně ověřené prostřednictvím recenzovaných studií a veřejně přístupné prostřednictvím portálu větrného inženýrství – poskytují referenční metriky pro posouzení přesnosti modelování turbulence a vlivu citlivosti rastru. Mezi klíčové srovnávací parametry patří střední hodnoty součinitele tlaku v kritických zónách budovy (návětrná strana, boční stěny, oblasti odtržení na závětrné straně).
| ‚‘'Vlastnosti tekutin'‚‘ | 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 | |
| Kappa | κ | 0,410 | ||
| Konstanta viskozity turbulence | Cμ | 0,090 | ||
| Délka aerodynamické drsnosti povrchu | z0 | 1,000 | m |
Analytické řešení
Analytické řešení není k dispozici. Příklad poskytuje srovnání výsledků simulace CFD v programu RWIND a experimentálních dat (aerodynamická databáze TPU).
Profil rychlosti větru je vypočítán z 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 programu RWIND 3.04
- Typ simulace nestacionárního proudění
- Hustota sítě je 20 % s upřesněním: 5 698 702 buněk
- Model Spalart-Allmaras DDES
- Okrajová podmínka na vstupu – profil rychlosti a profil intenzity turbulence
- Dno tunelu – okrajová podmínka bez prokluzu
- Stěny a horní část tunelu – okrajová podmínka s prokluzem
- Okrajová podmínka na výstupu – nulový tlak; nulový gradient rychlosti
Požadavky na přesnost WTG-Merkblatt M3
WTG-Merkblatt M3 poskytuje dvě klíčové metody pro ověření výsledků simulace. Metoda „Hit Rate (q)“ vyhodnocuje, kolik simulovaných hodnot Pi správně odpovídá referenčním hodnotám Oi v rámci definované tolerance, a to pomocí použití binární klasifikace (trefa nebo minula). Tento způsob použití hodnotí spolehlivost simulace výpočtem úspěšnosti 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 tak, aby zohledňovaly rozdíly v měřítku. Společně tyto metody poskytují jak kvalitativní, tak kvantitativní měřítka pro ověření simulace.
Výsledky
Požadované hodnoty parametru úspěšnosti 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 toku v programu RWIND nesplňuje požadavky.
| ‚‘'Plocha'‚‘ | q [%] pro Wrel = 10% | q [%] pro Wrel = 20% | e2 [1] |
| Návětrná strana | 27,3 | 72,7 | 0,035 |
| Pravá strana | 0,0 | 0,114 | |
| Levá strana | 27,3 | 45,5 | 0,121 |
| Závětří | 0,0 | 0,0 | 0,118 |
V následujících grafech jsou průměrné součinitele tlaku větru získané simulací v programu RWIND porovnány s průměrnými hodnotami z časových řad v testovacích bodech naměřených pomocí aerodynamické databáze TPU. Porovnání je provedeno na návětrné, pravé, levé a závětrné straně budovy.
Grafy ukazují velmi dobrou shodu na návětrné ploše. Součinitele tlaku větru jsou rozhodující pro zatížení budovy, 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 však odpovídají datovým souborům pouze v případě návětrné plochy.
