Empfohlene Windkanalgröße hinsichtlich Eurocode (EN 1991-1-4)

In den letzten Jahren ist das Interesse an der Anwendung von CFD (Computational Fluid Dynamics - Numerische Strömungsmechanik) bei der Bemessung windempfindlicher Tragwerke gestiegen. Das liegt daran, dass die Fortschritte in der Computerleistung die Lösung komplizierter Strömungsprobleme relativ kostengünstig gemacht haben. Die Größe des Rechengebiets (Domain) ist ein wichtiger Aspekt, der einen erheblichen Einfluss auf die Genauigkeit sowie die Kosten von CFD-Simulationen hat.

Die grundlegenden Strömungsgleichungen werden diskretisiert und in einem volumetrischen Bereich außerhalb des Gebäudemodells, dem sogenannten Rechengebiet bzw. Domain, gelöst (Bild 1). Die Grenzen eines typischen quaderförmigen Gebiets haben insgesamt sechs Begrenzungen. Mit Ausnahme der Unterseite des Gebiets sind diese Grenzen im Wesentlichen nicht physikalisch; daher stellen ihre Auswirkungen auf den Strömungsbereich eine Quelle von Simulationsfehlern dar (im Folgenden als Domainfehler bezeichnet). Es ist wichtig, nicht-physikalische Barrieren weit genug vom Tragwerk entfernt zu setzen, um größere Auswirkungen auf die Ergebnisse zu minimieren. Der Rechenaufwand für das Modell kann steigen, wenn die Grenzen zu weit außen positioniert werden. Die Größe der Domain muss bezüglich des rechnerischen Zeitaufwands und der Lösungsgenauigkeit optimiert werden [1].

Die Best-Practice-Empfehlungen des Computational Wind Engineering (CWE) [2] [3] erkennen die Bedeutung einer Domain mit einer geeigneten Größe für die Lösungsgenauigkeit an. Diese Empfehlungen verknüpfen Domainfehler mit ähnlichen Problemen bei Windkanalversuchen, wie beispielsweise Blockadeeffekte in Domains mit begrenzten Querschnittsflächen und künstliche Beschleunigung der lokalen Strömung in Domains mit zu geringem Abstand zwischen den Gebietsgrenzen und dem Gebäudemodell. Daher wird der Mindestabstand zwischen den Gebietsgrenzen und dem Gebäudemodell und die maximalen Blockierungsverhältnisse bzw. eine Kombination aus beiden verwendet, um die Größenanforderungen genau anzugeben [3].

Hier ein Beispiel für eine Zylinderform nach Eurocode [4], bei der zwei verschiedene Domainabmessungen berücksichtigt werden. Der erste Fall (Bild 2) zeigt die Voreinstellung von RWIND, was eine weniger genaue, aber schnellere Berechnung darstellt, und der zweite Fall ist die empfohlene Windkanalgröße (Bild 3), die genauer ist, aber auch einen höheren Rechenaufwand verursacht. Beispielsweise werden bei der Standard-Windkanalgröße 23 Minuten benötigt, um die CFD-Simulation abzuschließen, während bei der empfohlenen Windkanalgröße 42 Minuten benötigt werden, um die Simulation abzuschließen (~80% Erhöhung des Rechenaufwands). Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Simulation mittels CPU: Intel(R) Xeon(R) Gold 6248R CPU @ 3.00GHz und 128 GB RAM bei 1000 Iterationen durchgeführt wurde.

Das Schaubild zum Winddruckbeiwert (Cp) (Bild 4) zeigt, dass die Größe des Rechengebiets insbesondere beim positiven Druckbereich eine wichtige Rolle für die Genauigkeit der Ergebnisse spielen kann. Die schematische empfohlene Windkanalgröße in der Aerodynamik ist in Bild 6 [5] dargestellt. Entscheidend ist es, auf die Werte des Druckfeldes in der Nähe der Anströmgeschwindigkeit zu achten; sie sollten möglichst nahe Null liegen (Bild 5).

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