Benutzerstory
Dieses Beispiel präsentiert experimentelle und numerische Daten für aerodynamische Kräfte, die auf Brückendeckquerschnitte wirken [1]. Solche Daten werden häufig als Benchmark-Referenzen für die Validierung von CFD-Simulationen und zur Bewertung des aeroelastischen Verhaltens in windtechnischen Anwendungen verwendet. Die Umströmung von Brückenquerschnitten stellt ein komplexes aerodynamisches Problem dar, das Strömungsablösung, ScherSchicht-Wechselwirkung und Nachlaufentwicklung umfasst. Abhängig von der Geometrie und dem Anstellwinkel können sowohl stationäre als auch instationäre aerodynamische Effekte auftreten, einschließlich Wirbelablösung, Galloping und Flattern.
Im Vergleich zu einfachen stumpfen Körpern zeigen Brückendecks ein stark geometrieabhängiges Strömungsverhalten. Kleine geometrische Details (z.B. Kantenschärfe, Geländer oder Verkleidungen) können die Druckverteilung und die Kraftbeiwerte erheblich beeinflussen. Daher ist die genaue Vorhersage dieser Effekte für numerische Simulationen besonders anspruchsvoll. Dieses Beispiel steht grundsätzlich in Beziehung zur Gruppe 4, da es aeroelastische Phänomene, insbesondere Flatter- und Fluid-Struktur-Interaktions-Verhalten (FSI) von Brückenquerschnitten behandelt. Da in RWIND derzeit jedoch keine vollständig gekoppelte Zwei-Wege-FSI-Simulation verfügbar ist, ist eine direkte Darstellung aeroelastischer Effekte nicht möglich.
Daher wird ein vereinfachter Ansatz gewählt. Folglich wird dieses Beispiel in RWIND gemäß Abbildung 2.2 im WTG-Merkblatt M3 basierend auf der Bewertung der mittleren Windgeschwindigkeit und den entsprechenden gemittelten aerodynamischen Größen als zur Gruppe 1 zugehörig behandelt:
- G1: Qualitative Werte mit geringen Genauigkeitsanforderungen für den Einsatz in der Grundlagenuntersuchung oder Vorbemessung. Der Aufwand und die Anforderungen an den Detaillierungsgrad sind reduziert, da oft nicht alle Randbedingungen vollständig geklärt sind.
- R1: Einzelbauwerk (ohne Umgebungsbebauung), Analyse einzelner wichtiger Windrichtungen.
- Z1: Statistische Mittelwerte, sofern diese stationäre Strömungsvorgänge betreffen, bei denen Schwankungen (z.B. durch Anströmturbulenz) durch andere Maßnahmen hinreichend erfasst werden können.
- S1: Statische Wirkungen. Es genügt, das Strukturmodell mit der notwendigen mechanischen Detailtiefe, jedoch ohne Massen- und Dämpfungseigenschaften abzubilden.
Beschreibung
Der untersuchte Fall konzentriert sich auf das aerodynamische Verhalten eines Brückendeckquerschnitts, der einer stationären Anströmung unter verschiedenen Anstellwinkeln ausgesetzt ist. Das Hauptziel dieser Studie ist die Bestimmung der stationären aerodynamischen Kraftbeiwerte mit besonderem Schwerpunkt auf dem Widerstandsbeiwert CD. Basierend auf stationären CFD-Simulationen wird die mittlere Widerstandskraft, die auf den Querschnitt wirkt, ausgewertet und anschließend unter Verwendung des Referenz-Staudrucks und charakteristischer Abmessungen entdimensioniert. Dies ermöglicht die Berechnung von CD und erlaubt einen konsistenten Vergleich mit experimentellen Daten sowie deren Anwendung in der Tragwerksplanung.
Zusätzlich zum Widerstandsbeiwert können auch andere globale Beiwerte wie der Auftriebsbeiwert CL und der Momentenbeiwert CM bewertet werden, um eine vollständigere aerodynamische Charakterisierung des Brückendecks zu liefern. Der Schwerpunkt liegt jedoch weiterhin auf der genauen Vorhersage von CD als Schlüsselparameter für die Belastung in Windrichtung.
|
B |
Breite der Struktur |
|
Lb |
Länge der Struktur |
|
U |
Windgeschwindigkeit |
Ausgangspunkt ist der Staudruck des Windes, definiert als qo=1/2 ρU2, wobei ρ die Luftdichte und U die mittlere Windgeschwindigkeit ist. Diese Größe repräsentiert die kinetische Energie der Luftströmung pro Volumeneinheit und dient als Referenz für alle aerodynamischen Lasten.
Tabelle 1: Eingabedaten der Brückenquerschnitte
| Parameter | Symbol | Wert | Einheit |
|---|---|---|---|
| Anströmgeschwindigkeit | u | 8.2 | m/s |
| Dachhöhe | Href | 180 | mm |
| Luftdichte – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m³ |
| Turbulenzmodell – RWIND | RANS K-Omega | - | - |
| Kinematische Viskosität – RWIND | ν | 1.5×10⁻⁵ | m²/s |
| Schema-Ordnung – RWIND | Zweite | - | - |
| Zielwert Residuum – RWIND | 10⁻⁴ | - | - |
| Residuum-Typ – RWIND | Druck | - | - |
| Minimale Iterationen – RWIND | 800 | - | - |
| Grenzschicht – RWIND | NL | 10 | - |
| Wandfunktionstyp – RWIND | Standard | - | - |
Rechennetzstudie
Abbildung 2 zeigt eine Netzsensitivitätsanalyse eines zylindrischen Modells in RWIND. Der berechnete Kraftbeiwert (Cf) sinkt leicht von 0,76 bei einer Netzdichte von 15 % auf 0,71 bei 25 % und weiter auf 0,70 bei 35 %. Diese allmähliche Abnahme zeigt, dass sich die Lösung mit zunehmender Netzfeinheit stabilisiert. Die geringe Variation von Cf bei höheren Netzdichten zeigt eine generelle Konvergenz, was darauf hindeutet, dass eine weitere Verfeinerung nur noch geringe Auswirkungen auf die Ergebnisse hat.
Zusätzlich muss die Rechennetzstudie gemäß dem folgenden Link durchgeführt werden:
Genauigkeitsanforderung WTG-Merkblatt M3
Das WTG-Merkblatt M3 stellt zwei wichtige Methoden zur Validierung von Simulationsergebnissen bereit. Die Hit-Rate-Methode bewertet, wie viele der simulierten Werte Pi innerhalb einer definierten Toleranz korrekt mit den Referenzwerten Oi übereinstimmen, unter Verwendung eines binären Klassifizierungsansatzes (Treffer oder kein Treffer). Dieser Ansatz bewertet die Zuverlässigkeit der Simulation durch Berechnung einer Hit-Rate q, ähnlich den in der Zuverlässigkeitstheorie verwendeten Konfidenzfunktionen. Im Gegensatz dazu bietet die Normalized Mean Squared Error (NMSE) Methode (e2) eine detailliertere Genauigkeitsbewertung, indem sie die mittlere quadratische Abweichung zwischen simulierten und Referenzwerten quantifiziert, normiert zur Berücksichtigung von Maßstabsunterschieden. Zusammen liefern diese Methoden sowohl qualitative als auch quantitative Maße für die Simulationsvalidierung.
Ergebnisse und Diskussion
Abbildung 3 zeigt die Oberflächendruckverteilung und die integrierten aerodynamischen Kräfte auf einer zweidimensionalen quadratischen Platte. Die Simulation wird mit einer Anströmgeschwindigkeit von 8,2 m/s durchgeführt, und die Druckkonturen reichen von +32,1 Pa bis -45,4 Pa, wodurch Bereiche mit Überdruck und Sog hervorgehoben werden. Das Informationsfenster vergleicht die Ergebnisse der ursprünglichen CAD-Geometrie mit denen des Rechenmodells und gibt eine resultierende Kraft von 4,8 N zusammen mit ihren Kraftkomponenten und dem entsprechenden Druckmittelpunkt an. Dieses Beispiel demonstriert die Fähigkeit von RWIND, Druckverteilungen genau zu berechnen, aerodynamische Lasten zu integrieren und den Druckmittelpunkt für Validierungs- und strukturelle Lastübertragungszwecke zu bestimmen. Die aus dem Rechenmodell erhaltenen integrierten aerodynamischen Lasten ergeben eine Gesamtkraft von 4,8 N, einschließlich einer Widerstandskraft von 2,0 N, die zur Berechnung eines Widerstandsbeiwerts von CD = 0,073 basierend auf einer Referenzfläche von 0,648 m² verwendet wird. Zusätzlich liefert der berechnete Druckmittelpunkt die Lage der resultierenden aerodynamischen Kraft, die auf das Modell wirkt. Zusammen zeigen diese Ergebnisse die Konsistenz der Druckverteilung, integrierten Kraftberechnung und aerodynamischen Beiwertauswertung, die zu Validierungszwecken verwendet werden.
Tabelle 2 vergleicht die aus den experimentellen Messungen und RWIND erhaltenen Widerstandsbeiwerte für fünf Anstellwinkel. Für jeden Fall werden die absolute Differenz (Pi - Oi), die prozentuale Abweichung und die Übereinstimmung mit den ±10 %- und ±20 %-Akzeptanzkriterien angegeben. Die Ergebnisse zeigen eine ausgezeichnete Übereinstimmung bei -10° und 10°, mit Abweichungen von 5,30 % bzw. 2,56 %. Größere Diskrepanzen werden bei -5° und 5° beobachtet, während der Fall 0° innerhalb des ±20 %-Akzeptanzkriteriums bleibt. Insgesamt erfüllen 40 % der Fälle das ±10 %-Kriterium, wohingegen 60 % das ±20 %-Kriterium erfüllen.
Tabelle 2: Vergleich des Widerstandsbeiwerts (CD) zwischen RWIND und experimentellen Daten
| Winkel | CD – Experimentell (Oi) | CD – RWIND (Pi) | Pi-Oi | Abweichung (%) | Hit-Rate ≤10% | Hit-Rate ≤20% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| -10 | 0.132 | 0.125 | -0.007 | 5.30 | 🟢 | 🟢 |
| -5 | 0.102 | 0.062 | -0.040 | 39.22 | 🔴 | 🔴 |
| 0 | 0.088 | 0.073 | -0.015 | 17.05 | 🔴 | 🟢 |
| 5 | 0.099 | 0.062 | -0.037 | 37.37 | 🔴 | 🔴 |
| 10 | 0.117 | 0.114 | -0.003 | 2.56 | 🟢 | 🟢 |
Tabelle 3 fasst die statistischen Indikatoren zusammen, die zur Bewertung der Übereinstimmung zwischen RWIND-Vorhersagen und den experimentellen Referenzdaten verwendet werden. Die Validierung basiert auf 5 Datenpunkten, was zu einer Hit-Rate von 40 % innerhalb einer Abweichung von ±10 % und 60 % innerhalb von ±20 % führt. Der Gesamtvorhersagefehler wird durch einen Normalized Mean Squared Error (NMSE) von 0,00093, einen Mean Error (ME) von -0,0204, was auf eine leichte generelle Unterschätzung durch RWIND hinweist, einen Mean Absolute Error (MAE) von 0,0204 und einen Root Mean Squared Error (RMSE) von 0,0254 quantifiziert. Diese Metriken bieten eine Gesamtbewertung der Vorhersagegenauigkeit und -verzerrung des CFD-Modells im Vergleich zu den experimentellen Messungen.
Tabelle 3. Statistische Leistungskennzahlen der RWIND-Validierung
| Kennzahl | Wert |
|---|---|
| Anzahl Datenpunkte (N) | 5 |
| Hit-Rate (10%) | 40% |
| Hit-Rate (20%) | 60% |
| Normalized Mean Squared Error, e² | 0.0551 |
| Mean Error (ME) | -0.0204 |
| Mean Absolute Error (MAE) | 0.0204 |
| Root Mean Squared Error (RMSE) | 0.0254 |
Abbildung 4 vergleicht den Widerstandsbeiwert (CD) aus experimentellen Messungen und RWIND-Simulationen für Anstellwinkel zwischen -10° und +10°. Beide Datensätze zeigen einen ähnlichen U-förmigen Trend, wobei der minimale Widerstand bei 0° auftritt. RWIND erfasst erfolgreich das aerodynamische Gesamtverhalten, unterschätzt aber konsistent den Widerstandsbeiwert, insbesondere bei den mittleren Winkeln (±5°), während bei den extremen Winkeln (±10°) eine gute Übereinstimmung besteht. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass RWIND den qualitativen Trend der Widerstandsänderung mit dem Anstellwinkel zuverlässig vorhersagt, obwohl weitere Verbesserungen in der Turbulenz- und wandnahen Modellierung die quantitative Genauigkeit erhöhen könnten.
