Einführung
Im Bereich der Windtechnik sind eine genaue Modellierung und Validierung von entscheidender Bedeutung, um die strukturelle Integrität und die aerodynamische Leistung verschiedener windanfälliger Strukturen wie z.B. Antennen sicherzustellen (Bild 1). Diese Konstruktionen, die sich oft durch ihre schlanke Geometrie, ihr geringes Gewicht und ihre beträchtliche Höhe auszeichnen, sind von Natur aus anfällig für Windlasten. Selbst bei mäßigem Wind können auf solche Elemente aufgrund ihres großen Verhältnisses von Oberfläche zu Masse erhebliche Kräfte einwirken. Insbesondere Antennen erfordern während des Entwurfs- und Analyseprozesses sorgfältige Aufmerksamkeit, um ihre Stabilität, Funktionalität und Sicherheit auf Dauer zu gewährleisten. Windkanaltests, rechnerische Simulationen und Feldmessungen werden üblicherweise eingesetzt, um Winddrücke und Reaktionen genau vorherzusagen. Eine ordnungsgemäße Bewertung und entsprechende Minderungsstrategien sind nicht nur wichtig, um strukturelle Schäden zu verhindern, sondern auch, um die kontinuierliche Betriebsleistung aufrechtzuerhalten, insbesondere bei kritischen Kommunikations- oder Überwachungsanwendungen. Im aktuellen Validierungsbeispiel wird der Kraftbeiwert sowohl für die CFD-Simulation in RWIND als auch für die experimentelle Studie [1] der RWTH Aachen untersucht.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, ist eine strenge Validierung der Berechnungsmodelle erforderlich, um sicherzustellen, dass die theoretischen Vorhersagen mit der realen Leistung übereinstimmen. Ein Beispiel hierfür ist die Validierung von Antennen-Windlastsimulationen durch experimentelle Tests und CFD-Analysen (numerische Strömungsmechanik). Dieser Prozess ermöglicht es Ingenieuren, ihre Modelle zu verfeinern, die Genauigkeit zu verbessern und die Gesamtzuverlässigkeit von Antennenstrukturen unter verschiedenen Umweltbedingungen zu erhöhen.
In Zusammenarbeit mit der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen, einer führenden Institution im Bereich der Ingenieurwissenschaften und angewandten Wissenschaften, werden praktische Studien zu Antennenstrukturen durchgeführt, die Windlasten ausgesetzt sind. Durch die Kombination von theoretischen Ansätzen mit empirischen Daten soll die Kluft zwischen Simulation und Realität überbrückt und ein Beitrag zur Entwicklung sicherer und widerstandsfähigerer Antennenkonstruktionen geleistet werden. Diese Studie unterstreicht die Bedeutung der Validierung in der Windtechnik und zeigt, wie die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie zu präziseren Modellierungstechniken und verbesserter Tragwerksleistung in realen Anwendungen führen kann.
Beschreibung
Im aktuellen Validierungsbeispiel wird der Kraftbeiwert sowohl für die CFD-Simulation in RWIND als auch für die experimentelle Studie [1] der RWTH Aachen untersucht. Das Modell stellt drei scharfkantige Antennen in RWIND dar, die über einer Gitterfläche positioniert sind, die als Bodenebene bzw. Windkanalboden dient. Das Modell enthält mehrere magentafarbene Maßangaben für spezifische Abmessungen: Die Gesamthöhe der Antenne beträgt 0,50 m; ihr Fuß ist 0,20 m vom Boden entfernt, wie in Bild 2 dargestellt.
Eingabedaten und Annahmen
Die erforderliche Annahme der Windsimulation ist in der folgenden Tabelle dargestellt:
| Tabelle 1: Abmessungsverhältnis und Eingabedaten | |||
| Windgeschwindigkeit | V | 10 | m/s |
| Höhe | h | 0,5 | m |
| Unterer Spalt | Spalt | 0,20 | m |
| Luftdichte - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Windrichtungen | θwind | 0o bis 360o mit einem Schritt von 30o | Grad |
| Turbulenzmodell - RWIND | RANS k-ω SST stationär | - | - |
| Kinematische Viskosität - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Schemareihenfolge - RWIND | 2. | - | - |
| Differenz-Zielwert - RWIND | 10-4 | - | - |
| Differenztyp - RWIND | Druck | - | - |
| Mindestanzahl der Iterationen - RWIND | 800 | - | - |
| Grenzschicht - RWIND | NL | 10 | - |
| Art der Wandfunktion - RWIND | erweitert/gemischt | - | - |
| Turbulenzintensität | I | 3 % | - |
Untersuchung des Berechnungsnetzes
Eine Untersuchung des Berechnungsnetzes ist bei CFD-Analysen unerlässlich, da sie sich direkt auf die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse auswirkt. Während ein gut verfeinertes Netz die Präzision verbessert, erhöht eine übermäßige Verfeinerung die Rechenkosten ohne großen Nutzen. Daher helfen Untersuchungen zur Netzempfindlichkeit dabei, das optimale Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und Effizienz zu finden, was eine bessere Entscheidungsfindung bei praktischem Ressourceneinsatz ermöglicht. Die Tabelle in der unteren rechten Ecke vergleicht verschiedene Netzdichten von 10 % bis 30 % und die entsprechenden Kraftbeiwerte (Cf).
Weitere Informationen über die Untersuchung von Berechnungsnetzen:
Ergebnisse und Diskussion
Bild 4 zeigt eine Analyse, in der experimentelle und simulierte Daten in Bezug auf den auf die Antennenstruktur wirkenden Windkraftkoeffizienten verglichen werden. In der Mitte des Bildes veranschaulicht ein Liniendiagramm den Verlauf des Kraftbeiwerts Cf in Abhängigkeit der Windrichtung θ, gemessen in Grad von 0∘ bis 360∘. Die vertikale Achse stellt den Kraftbeiwert Cf dar, der von 0,0 bis 1,0 reicht, und die horizontale Achse stellt die Windrichtungen in 30-Grad-Schritten dar. In dem Diagramm sind zwei Datensätze dargestellt: Die schwarze Linie mit den dreieckigen Markierungen steht für experimentelle Messungen, während die grüne Linie mit den kreisförmigen Markierungen die mit RWIND erzielten Simulationsergebnisse darstellt.
Weitere Informationen über die Berechnung des Windkraftbeiwerts in RWIND:
Die Abbildung zeigt, dass sowohl die experimentellen als auch die RWIND-Ergebnisse einem ähnlichen Trend folgen, was auf ein hohes Maß an Übereinstimmung zwischen den beiden Ergebnissen hindeutet. Im Allgemeinen zeigt der Kraftbeiwert ein periodisches Verhalten, mit deutlichen Einbrüchen bei Windrichtungen von etwa 60∘ und 180∘, wo die Werte von Cf am niedrigsten sind. Spitzenwerte werden bei etwa 0∘, 120∘, 240∘ und 330∘ beobachtet, wo die Struktur den höchsten windinduzierten Kräften ausgesetzt ist. Die nahe Ausrichtung der beiden Kurven zeigt, dass RWIND die aerodynamische Antwort der Struktur mit einer durchschnittlichen Abweichung von etwa 5 % von den experimentellen Daten genau erfasst.
Insgesamt wird in der vorliegenden Studie der Prozess der Validierung einer numerischen Windsimulation anhand der Ergebnisse physikalischer Experimente effektiv untersucht. Sie zeigt, dass RWIND die experimentellen Daten in verschiedenen Windrichtungen sehr gut reproduziert, was auf dessen Eignung für die Vorhersage von Windlasten auf schlanke vertikale Strukturen wie Antennenmasten hindeutet. Die Kombination aus grafischen Daten, Strukturdarstellungen und Strömungsfeldsimulationen bietet eine klare und abgerundete Darstellung der Methodik und Ergebnisse der Studie.
Das Beispiel der Einzelantenne mit scharfer Kante von der RWTH Aachen finden Sie hier:
