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1. Dezember 2023

Durchführung eines Validierungsbeispiels in RWIND

Ein entscheidender Schritt bei der Numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics - CFD) ist es, ein Validierungsbeispiel zu erstellen, um Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Simulationsergebnisse zu gewährleisten. Bei diesem Vorgang werden die Ergebnisse der CFD-Simulationen mit experimentellen oder analytischen Daten aus realen Szenarien verglichen. Es soll der Nachweis erbracht werden, dass das CFD-Modell die physikalischen Phänomene, die es simulieren soll, wirklichkeitsgetreu abbilden kann. In diesem Beitrag werden die wesentlichen Schritte bei der Entwicklung eines Validierungsbeispiels für die CFD-Simulation erläutert, von der Auswahl eines geeigneten physikalischen Szenarios bis zur Analyse und dem Vergleich der Ergebnisse. Bei sorgfältiger Einhaltung dieser Schritte können sowohl Ingenieure als auch Experten in Forschung und Entwicklung die Glaubwürdigkeit ihrer CFD-Modelle erhöhen und so den Weg für deren effektiven Einsatz in verschiedenen Bereichen wie der Aerodynamik, der Luft- und Raumfahrttechnik sowie der Umwelttechnik ebnen.

Möchte man ein Validierungsbeispiel für CFD-Simulationen in Anwendungen für Windanalysen im Hinblick auf Wind Engineering erstellen, so sollte man in mehreren speziellen Schritten, die auf die Komplexität von Windströmungen und ihre Interaktionen mit Strukturen und Umgebungen zugeschnitten sind, vorgehen. Hier finden Sie eine Schritt-für-Schritt-Anleitung:

1. Definition des Problems mit Hinblick auf Wind Engineering

  • Legen Sie genau fest, welches Wind Engineering-Szenario Sie simulieren wollen, wie z. B. Windströmung um Gebäude, Brücken oder andere Bauwerke.
  • Berücksichtigen Sie Details beim Gelände, bei den Eigenschaften der atmosphärischen Grenzschicht und andere relevante Umweltfaktoren.

2. Auswahl eines geeigneten Referenzfalls

  • Wählen Sie eine gut dokumentierte Fallstudie aus dem Bereich des Wind Engineerings mit zuverlässigen experimentellen Daten bzw. Feldbeobachtungen aus. Das können Windkanaltests oder Messungen im Originalmaßstab sein.
  • Der Fall sollte Ihrem Szenario in Bezug auf Geometrie, Maßstab und Windbedingungen sehr ähnlich sein.

Für unsere aktuelle Studie wurde als Bezugswert eine wissenschaftliche Arbeit [1] aus dem Journal of Wind Engineering ausgewählt. Das Modell ist in Bild 1 dargestellt:

3. Entwicklung des CFD-Modells

  • Geometrie: Erstellen Sie ein digitales Modell der Struktur und des umgebenden Geländes. Ziehen Sie bei Gebäuden auch Details wie die Form, Fassadenelemente und die in der Nähe befindlichen Strukturen mit ein.
  • Vernetzung: Generieren Sie ein Netz, das die Geometrie genau erfasst, wobei Sie besonders auf Bereiche achten sollten, in denen hohe Strömungsgradienten erwartet werden, wie z. B. Ecken und Kanten von Strukturen.
  • Rand- und Anfangsbedingungen: Stellen Sie Randbedingungen ein, die das Windprofil (Geschwindigkeit und Richtung) bei verschiedenen Höhen, Temperaturschwankungen und Druckbedingungen widerspiegeln.
  • Solver-Einstellungen: Wählen Sie geeignete Solver und Turbulenzmodelle aus (z. B. k-ε oder Grobstruktursimulation (Large Eddy Simulation)), die bei Wind Engineering-Simulationen bekanntermaßen gut funktionieren.

Die Anfangsannahmen sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1: Abmessungsverhältnis und Eingabedaten
Basiswindgeschwindigkeit V 10,13 m/s
Mittlere Dachhöhe h 6 m
Horizontale Abmessung (Randabstand) α 6 m
Dachwinkel θDach 0 Grad
Luftdichte - RWIND ρ 1,25 kg/m3
Windrichtungen θWind 0 Grad
Turbulenzmodell - RWIND stetige Strömung, RANS-Gleichungen, k-ω, SST - -
Kinematische Viskosität (Gleichung 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND ν 1,5*10-5 m2/s
Schemareihenfolge - RWIND erstes und zweites - -
verbleibender Zielwert - RWIND 10-4 - -
verbleibender Typ - RWIND Druck - -
Mindestanzahl an Iterationen - RWIND 800 - -
Grenzschicht - RWIND NL 10 -
Art der Wandfunktion - RWIND erweitert/gemischt - -

4. Start der Simulation

  • Führen Sie die Simulationen durch und achten Sie dabei darauf, sowohl stationäre als auch transiente Strömungsanalysen zu berücksichtigen, da Windströmungen erhebliche zeitliche Variationen aufweisen können.
  • Stellen Sie sicher, dass die Simulation lange genug läuft, damit Sie die relevante Strömungsdynamik um die Strukturen herum erfassen können.

5. Validierungsprozess

  • Vergleich mit Bezugswertdaten: Vergleichen Sie die Simulationsergebnisse mit den Daten des Referenzfalls und konzentrieren Sie sich dabei auf Parameter wie Windgeschwindigkeitsprofile, Druckverteilung an den Strukturen und Turbulenzintensität.
  • Fehleranalyse: Führen Sie eine quantitative Fehleranalyse durch, um Abweichungen zwischen Ihrer Simulation und den Daten des Bezugswerts abschätzen zu können.
  • Sensitivitätsanalyse: Testen Sie, wie sich Änderungen der Netzdichte, der Randbedingungen und der Turbulenzmodelle auf Ihre Ergebnisse auswirken.

Für das vorliegende Beispiel wird die Selektivitätsanalyse gemäß Bild 2 dargestellt. Die Ergebnisse der Gesamtströmungswiderstandskräfte werden für vier verschiedene Netze untersucht. Die Netzunabhängigkeit wird bei 1,6 Millionen Zellen erreicht.

6. Dokumentation

  • Dokumentieren Sie Ihre Methodik sorgfältig, einschließlich sämtlicher Annahmen, Randbedingungen und aller relevanten Einstellungen.
  • Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse ausführlich mit den Bezugswertdaten und zeigen Sie dabei Übereinstimmungen und Abweichungen auf.

7. Iterative Verbesserung

  • Bei deutlichen Abweichungen zu den Bezugswertdaten sollten Sie Ihr Modell verfeinern. Dabei kann die Netzauflösung angepasst, die Turbulenzmodelle modifiziert oder Randbedingungen überarbeitet werden.
  • Wiederholen Sie den Simulations- und Validierungsprozess, bis das Modell das Verhalten der Windströmung zuverlässig vorhersagt.

8. Überlegungen zu Anwendungen im Bereich des Wind Engineerings

  • Bei CFD-Simulationen im Bereich des Wind Engineerings müssen oft komplexe Phänomene wie Wirbelablösung, Buffeting und Nachlaufeffekte berücksichtigt werden.
  • Urbane Topologie, Geländeeffekte und atmosphärische Stabilitätsbedingungen können die Windströmung erheblich beeinflussen und sollten, falls relevant, in das Modell einbezogen werden.

9. Ergebnisse

Das Diagramm des Cp-Durchschnittswerts mittels stationärer Strömungssimulation wird für die vereinfachte und exakte Netzgenerierung in RWIND sowie die erste und zweite Methode des numerischen Schemas erstellt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen experimenteller und numerischer Methode in Bezug auf die Referenz [1]. Bild 3 und Bild 4 zeigen den durchschnittlichen Cp-Wert durch die angegebene Linie in vertikaler und horizontaler Richtung.

10. Fazit

Dieser Validierungsprozess ist entscheidend, um zu gewährleisten, dass Ihr CFD-Modell die Komplexität von Windströmungen in ingenieurtechnischen Anwendungen genau abbildet. Er hilft dabei, Vertrauen in die Simulationsergebnisse aufzubauen, die dann für Design-Entscheidungen, Sicherheitsabschätzungen oder weitere Forschungsarbeiten verwendet werden können. Das Validierungsmodell können Sie hier herunterladen:


Autor

Herr Kazemian ist verantwortlich für die Produktentwicklung und das Marketing für die Dlubal-Software, insbesondere für das Programm RWIND 2.

Referenzen
  1. Richards, P., R. Hoxey, and L. Short, Wind pressures on a 6 m cube. Journal of Wind engineering and industrial aerodynamics, 2001. 89(14-15): p. 1553-1564.