Dieser Leitfaden beschreibt die wesentlichen Schritte zur Entwicklung eines Validierungsbeispiels für CFD-Simulationen – von der Auswahl eines geeigneten physikalischen Szenarios bis zur Analyse und zum Vergleich der Ergebnisse. Durch die sorgfältige Befolgung dieser Schritte können Ingenieure und Forscher die Glaubwürdigkeit ihrer CFD-Modelle erhöhen und so den Weg für deren wirksame Anwendung in unterschiedlichen Bereichen wie Aerodynamik, Luft- und Raumfahrt sowie Umweltstudien ebnen.
Die Erstellung eines Validierungsbeispiels für Computational-Fluid-Dynamics-(CFD)-Simulationen in windtechnischen Anwendungen umfasst mehrere spezifische Schritte, die auf die Komplexität der Windströmung und ihre Wechselwirkungen mit Bauwerken und Umgebungen zugeschnitten sind. Im Folgenden finden Sie eine Schritt-für-Schritt-Anleitung:
1. Definition des windtechnischen Problems
- Legen Sie das windtechnische Szenario, das Sie simulieren, eindeutig fest, z. B. die Windströmung um Gebäude, Brücken oder andere Bauwerke.
- Fügen Sie Angaben zum Gelände, zu den Eigenschaften der atmosphärischen Grenzschicht und zu allen relevanten Umgebungsfaktoren hinzu.
2. Auswahl eines geeigneten Benchmark-Falls
- Wählen Sie eine gut dokumentierte windtechnische Fallstudie mit zuverlässigen experimentellen oder Felddaten. Dies können Windkanalversuche oder Messungen im Maßstab 1:1 sein.
- Der Fall sollte Ihrem Szenario hinsichtlich Geometrie, Maßstab und Windbedingungen möglichst ähnlich sein.
Für unsere aktuelle Studie wird die wissenschaftliche Arbeit [1] aus dem Journal of Wind Engineering als Benchmark-Fall 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. Bei Gebäuden sollten Details wie Form, Fassadenelemente und benachbarte Bauwerke berücksichtigt werden.
- Netzgenerierung: Erzeugen Sie ein Netz, das die Geometrie genau erfasst, wobei Bereichen mit erwarteten hohen Strömungsgradienten, wie Ecken und Kanten von Bauwerken, besondere Aufmerksamkeit zu schenken ist.
- Rand- und Anfangsbedingungen: Legen Sie Randbedingungen fest, die das Windprofil (Geschwindigkeit und Richtung) in verschiedenen Höhen, Temperaturänderungen und Druckbedingungen widerspiegeln.
- Löser-Einstellungen: Wählen Sie geeignete Löser und Turbulenzmodelle (z. B. k-ε oder Large Eddy Simulation), die sich in windtechnischen Simulationen als leistungsfähig erwiesen haben.
Die anfänglichen Annahmen sind in Tabelle 1 aufgeführt.
| Grundwindgeschwindigkeit | V | 10.13 | m/s |
| Dachhöhe | h | 6 | m |
| Horizontale Abmessung | α | 6 | m |
| Dachwinkel | θroof | 0 | Grad |
| Luftdichte – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Windrichtungen | θwind | 0 | Grad |
| Turbulenzmodell – RWIND | Steady-State RANS k-ω SST | - | - |
| Kinematische Viskosität (Gleichung 7.15, EN 1991-1-4) – RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Schemareihenfolge – RWIND | Erste und Zweite | - | - |
| Zielwert der Residuen - RWIND | 10-4 | - | - |
| Residuumstyp – RWIND | Druck | - | - |
| Mindestanzahl der Iterationen – RWIND | 800 | - | - |
| Grenzschicht – RWIND | NL | 10 | - |
| Art der Wandfunktion – RWIND | Standard | - | - |
4. Durchführung der Simulation
- Führen Sie Simulationen sowohl für stationäre als auch für instationäre Analysen durch, da Windströmungen erhebliche zeitliche Schwankungen aufweisen können.
- Stellen Sie sicher, dass die Simulation lange genug läuft, um die relevanten Strömungsdynamiken um die Strukturen zu erfassen.
5. Validierungsprozess
- Vergleich mit Benchmark-Daten: Vergleichen Sie Ihre Simulationsergebnisse mit den Daten des Benchmark-Falls, wobei Sie den Schwerpunkt auf Parameter wie Windgeschwindigkeitsprofile, Druckverteilung an den Strukturen und Turbulenzintensität legen.
- Fehleranalyse: Führen Sie eine quantitative Analyse durch, um Abweichungen zwischen Ihrer Simulation und den Benchmark-Daten zu bewerten.
- Sensitivitätsanalyse: Untersuchen Sie, wie sich Änderungen der Netzdichte, der Randbedingungen und der Turbulenzmodelle auf Ihre Ergebnisse auswirken.
Für das aktuelle Beispiel ist die Sensitivitätsanalyse gemäß Bild 2 dargestellt. Die Ergebnisse der gesamten Widerstandskräfte werden für sechs unterschiedliche Netzgrößen untersucht. Die Netzunabhängigkeit wird bei 1.6 Millionen Zellen (Mesh #4) erreicht. In CFD hilft eine Netzkonvergenzstudie dabei, die optimale Netzgröße (Mesh #4) zu finden, bei der die Simulationsergebnisse (z. B. die Widerstandskraft) netzunabhängig werden. Die Verwendung eines zu groben Netzes wie Mesh #1 kann zu ungenauen Ergebnissen führen, während zu feine Netze numerische Fehler verursachen und die Rechenzeit erhöhen können, wie in Mesh #6 in Bild 2 dargestellt.
Um das optimale Netz zu bestimmen, das sowohl Genauigkeit als auch Netzunabhängigkeit gewährleistet, wird empfohlen, mindestens drei verschiedene Netzgrößen zu bewerten. Wenn sich die Ergebnisse mit feineren Netzen stabilisieren, gilt die Lösung als zuverlässig und unabhängig von der Netzdichte. Es wird außerdem empfohlen, wichtige Referenzen wie ASCE 7-22 Kapitel C31 - Wind Tunnel Procedure, Yeo, D. 2020 [2], und Roache [3] zu berücksichtigen.
6. Dokumentation
- Dokumentieren Sie Ihre Methodik ausführlich, einschließlich der Annahmen, Randbedingungen und aller relevanten Einstellungen.
- Fügen Sie einen detaillierten Vergleich Ihrer Ergebnisse mit den Benchmark-Daten hinzu und heben Sie dabei sowohl Übereinstimmungen als auch Abweichungen hervor.
7. Iterative Verfeinerung
- Wenn es erhebliche Abweichungen von den Benchmark-Daten gibt, verfeinern Sie Ihr Modell. Dies kann die Anpassung der Netzauflösung, die Modifikation von Turbulenzmodellen oder die Überarbeitung von Randbedingungen umfassen.
- Wiederholen Sie den Simulations- und Validierungsprozess, bis das Modell das Windströmungsverhalten zuverlässig vorhersagt.
8. Überlegungen für windtechnische Anwendungen
- CFD-Simulationen in der Windtechnik müssen häufig komplexe Phänomene wie Wirbelablösung, Böenbelastung und Nachlaufeffekte berücksichtigen.
- Urbane Topologie, Geländeeinflüsse und Bedingungen der atmosphärischen Stabilität können die Windströmung erheblich beeinflussen und sollten, sofern relevant, im Modell berücksichtigt werden.
9. Ergebnisse
Das Diagramm des durchschnittlichen Cp-Werts unter Verwendung der stationären Simulation wird für die vereinfachten und exakten Netzgenerierungsmethoden in RWIND sowie für die erste und zweite Methode des numerischen Schemas erstellt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen und numerischen Methoden hinsichtlich der Referenz [1]. Die Bilder 3 und 4 zeigen den durchschnittlichen Cp-Wert entlang einer festgelegten Linie in vertikaler und horizontaler Richtung.
10. Fazit
Dieser Validierungsprozess ist entscheidend, um sicherzustellen, dass Ihr CFD-Modell die Komplexität der Windströmung in ingenieurtechnischen Anwendungen genau abbildet. Er trägt dazu bei, das Vertrauen in die Simulationsergebnisse aufzubauen, die dann für Konstruktionsentscheidungen, Sicherheitsbewertungen oder weitere Forschungsstudien verwendet werden können. Das Validierungsmodell steht hier zum Download bereit:
