Mit RFEM und RWIND wird ein Modell einer Seilnetzkonstruktion erstellt, sodass anschließend die Windsimulation zusammen mit der Implementierung wichtiger Kriterien gestartet werden kann. RWIND ist ein leistungsfähiges Tool zur Berechnung von Windlasten auf Grundstrukturen und komplizierten Formen. Der CFD-Solver basiert auf der OpenFOAM®-Software (Version 17.10) und liefert sehr gute Ergebnisse. Er ist ein weit verbreitetes Tool zur Durchführung von CFD-Simulationen. Der stationäre numerische Löser ist für inkompressible, turbulente Strömungen ausgelegt und verwendet den SIMPLE-Algorithmus (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations).
Die Windlasten werden durch spezifische Normen wie EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7-16 oder NBC 2015 geregelt. RFEM ist eine technisch gut ausgestattete Software zur Erstellung von Seilnetzkonstruktionen. Sie berücksichtigt nichtlineare Formfindungsanalysen für vorgespannte, doppelt gekrümmte Flächen. Bild 02 zeigt ein numerisches Strömungsdiagramm und eine FEM-Modellierung zur Durchführung eines Nachweisbeispiels für Seilnetzkonstruktionen.
Um partielle Differentialgleichungen numerisch zu bestimmen, müssen alle Differentialausdrücke (räumliche und zeitliche Ableitungen) diskretisiert werden. Es gibt eine Vielzahl von Diskretisierungsmethoden mit unterschiedlichen Ansätzen in Bezug auf Genauigkeit, Stabilität und Konvergenz. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Reihenfolge der Diskretisierung, desto genauer ist die numerische Simulation im Vergleich zu den Lösungen der ursprünglichen, nicht diskretisierten Gleichungen. Die numerische Diskretisierung erster Ordnung führt grundsätzlich zu einer besseren Konvergenz als das Schema zweiter Ordnung. In der vorliegenden Studie wird die Diskretisierung zweiter Ordnung verwendet. Bei Verwendung dieses Schemas empfehlen wir außerdem, die Mindestanzahl der Iterationen zu erhöhen, um eine bessere Konvergenz zu erreichen (siehe Bild 03).
Verifikationsbeispiel
Zur Verifizierung des Verfahrens für die Windsimulation wird ein Modell mit doppelter Krümmung entwickelt, wie in [1] [2] gezeigt. Die Ergebnisse werden untersucht. Der Maßstab des Modells mit leichter Krümmung wird mit 1/25 gewählt, was dem experimentellen Modell in [3 entspricht, das ein Hypardach mit den Maßen 10 m × 10 m × 1,25 m abbildet. Die leichte Krümmung wird für die Verifizierung eines Beispiels mit einem Winkel θ=45o betrachtet. Die Vorspannungskraft für das reale Maßstabmodell betrug 2,5 kN/m auf der Fläche, und mechanische Eigenschaften wie E-Modul und Poisson-Zahl sind definiert als Ex=1000 kN/m, Ey=800 kN/m, Gxy=100 kN/m, vxy=0,20. Bild 04 zeigt die Geometrie des Modells mit doppelter Krümmung. Die Eingabedaten sowie die Windgeschwindigkeiten für die CFD-Simulation sind in Bild 05 dargestellt.
Windkanalabmessungen
Zu beachten ist, dass die Abmessungen des Windkanals zu Fehlern führen können, wenn die Tunnelgröße kleiner als der Standardtyp ist. Das folgende Bild zeigt die Standardabmessungen eines Windkanals. Da die Ergebnisse auch von der Netzgröße abhängen, sollte die Berechnung für mindestens drei verschiedene Netzzahlen durchgeführt werden. Wenn die Ergebnisse nahe genug an der vorherigen Stufe liegen, ist die Gitterunabhängigkeit erreicht (siehe Bild 06).
Bild 07 zeigt eine Seitenansicht der Netzgenerierung des Modells. Daraus ist zu erkennen, dass der Algorithmus zur Netzverfeinerung in geringem Abstand zur Modellfläche eingesetzt wird.
Anmerkung zum Rechengitter
Die Ergebnisse der CFD-Simulation sind empfindlich gegenüber der Netzgröße, daher sollte die Gitterunabhängigkeit für mindestens drei verschiedene Zahlen von Netzelementen durchgeführt werden. Hier sind die Ergebnisse des Cp-Wertes auf der Mittellinie des Daches; es ist zu sehen, dass es sehr geringe Unterschiede gibt, die zeigen, dass die Ergebnisse der Windsimulation unabhängig vom dritten Gitter sind (Bild 08).
Blended Wall Function
RWIND verwendet die Blended Wall Function (BWF), auch bekannt als Enhanced Wall Function (EWF), die eine deutlich bessere Leistung als die Standard Wall Function (SWF) zeigt. Man kann daher allgemein sicher sein, dass genaue Ergebnisse für den weiten Bereich von y+ Zahlen erzielt werden. Die BWF ist keine symmetrische Funktion. Wir haben eine feste schwarze Linie (wie in Bild 09 gezeigt), die die Direct Numerical Simulation (DNS) ist, die wir reproduzieren möchten. Was man sofort erkennen kann, ist, dass die EWF definitiv viel näher an den DNS-Daten liegt als die SWF. Daher ist in der Pufferzone zwischen einem y+ von 5 und 30 die EWF mit Sicherheit viel genauer im Vergleich zur SWF. Aus diesem Grund wird die EWF häufig für CFD-Simulationen empfohlen [4]. Allerdings ist zu betonen, dass RWIND nicht für detaillierte Untersuchungen der Grenzschicht bei niedrigen y+ Werten gedacht ist. RWIND ist eine schnelle, einfache und praktische Lösung, die auf Bauingenieure ohne umfangreiche CFD-Expertise, die an der Durchführung industrieller Projekte interessiert sind, zugeschnitten ist.
Das mittlere Druckdiagramm und die Konturen für die beiden Turbulenzmodelle sind in Bild 10 und 11 dargestellt. Ausgehend von der Mittellinie des Hypar-Daches wird das Diagramm der Cpe-Verteilung gezeichnet und mit den Ergebnissen des experimentellen Windkanaltests verglichen. Der Cp-Wert kann durch die folgende Gleichung ermittelt werden, wobei P der Winddruck am Messpunkt ist, Pref der Referenzdruck (Atmosphärendruck), ρ die Luftdichte und Uref die Referenzgeschwindigkeit ist, die 15,3 m/s entspricht.
Wie hier gezeigt, liefert das K-omega-Turbulenzmodell genauere Ergebnisse bei der Vorhersage des Winddruckkoeffizienten. In der aktuellen Studie erfasst es die Effekte von Wirbelablösungen im Bereich hoher negativer Windgradienten besser als die K-epsilon-Modelle. Es wird daher empfohlen, dieses Turbulenzmodell für Wind-Struktur-Interaktionen zu verwenden.
