Einführung
In der Windtechnik sind eine präzise Modellierung und eine gründliche Validierung unerlässlich, um die statische Stabilität und die aerodynamische Effizienz windempfindlicher Strukturen, wie beispielsweise Antennen, zu gewährleisten (siehe Bild 1). Aufgrund ihrer schlanken Form, ihrer geringen Masse und ihrer beträchtlichen Höhe sind diese Strukturen besonders anfällig für Windkräfte. Selbst relativ schwache Winde können aufgrund des großen Verhältnisses von Fläche zu Masse einen erheblichen Druck ausüben. Die Sicherstellung der langfristigen Sicherheit, Stabilität und Funktionalität von Antennen erfordert daher eine sorgfältige Planung und Analyse. Um windbedingte Auswirkungen genau vorherzusagen, verlassen sich die Ingenieure in der Regel auf Windkanaltests, Rechensimulationen und Messungen vor Ort. Eine wirksame Bewertung und Schadensbegrenzung ist entscheidend, um strukturelle Fehler zu vermeiden und eine ununterbrochene Leistung sicherzustellen – insbesondere bei wichtigen Kommunikations- und Überwachungssystemen. Im aktuellen Validierungsbeispiel wird der Kraftkoeffizient sowohl für die CFD-Simulation in RWIND als auch für die experimentelle Studie der RWTH Aachen untersucht.
Um diese Herausforderungen zu meistern, ist eine präzise Validierung von Rechenmodellen unerlässlich. Nur so kann sichergestellt werden, dass ihre Vorhersagen das reale Verhalten beschreiben. Ein wichtiges Beispiel ist die Validierung von Windlastsimulationen für Antennen, bei der sowohl experimentelle Tests als auch CFD-Simulationen zum Einsatz kommen. Dieser Ansatz ermöglicht es den Ingenieuren, die Modelle zu feinabstimmen, die Vorhersagegenauigkeit zu verbessern und die strukturelle Zuverlässigkeit von Antennen unter verschiedenen Umweltbedingungen zu erhöhen.
In Zusammenarbeit mit der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen, einer führenden Einrichtung im Bereich der Ingenieur- und angewandten Wissenschaften, werden praktische Studien zu Antennenstrukturen durchgeführt, die Windlasten ausgesetzt sind. Durch die Kombination von theoretischen Ansätzen mit empirischen Daten zielt die Forschung darauf ab, die Lücke zwischen Simulation und Realität zu schließen und zur Entwicklung von sichereren, widerstandsfähigeren Antennendesigns beizutragen. Diese Studie betont die Bedeutung der Validierung in der Windtechnik und zeigt, wie die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie zu genaueren Modellierungsverfahren und verbesserter struktureller Leistung in realen Anwendungen führen kann.
Beschreibung
In dem aktuellen Validierungsbeispiel wird der Kraftkoeffizient sowohl für die CFD-Simulation in RWIND als auch für die experimentelle Studie der RWTH Aachen untersucht. Das Modell stellt sechs scharfkantige Antennen in RWIND dar, die über einer Gitterfläche positioniert sind. Diese dient als Bodenebene oder Windkanalboden. Das Modell enthält mehrere Dimensionsbeschriftungen in Magenta, die bestimmte Abmessungen angeben. Die Gesamthöhe der Antenne beträgt 0,50 m, ihre Basis ist 0,20 m vom Boden entfernt (siehe Bild 2).
Eingabedaten und Annahmen
Die erforderlichen Annahmen für die Windsimulation sind in der folgenden Tabelle dargestellt:
| Tabelle 1: Dimensionsverhältnis und Eingabedaten | |||
| Windgeschwindigkeit | V | 10 | m/s |
| Höhe | h | 0,5 | m |
| Bodenspalte | Gap | 0,20 | m |
| Luftdichte - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Windrichtungen | θwind | 0o bis 360o in 30o Schritten | Grad |
| Turbulenzmodell - RWIND | Steady RANS k-ω SST | - | - |
| Kinematische Viskosität - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Schema-Ordnung - RWIND | Zweite | - | - |
| Residual-Zielwert - RWIND | 10-4 | - | - |
| Residual-Typ - RWIND | Druck | - | - |
| Minimale Anzahl an Iterationen - RWIND | 800 | - | - |
| Grenzschicht - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ der Wandfunktion - RWIND | Erweitert / Gemischt | - | - |
| Turbulenzintensität | I | 3% | - |
Studie zum Berechnungsnetz
Eine Studie zum Berechnungsnetz ist bei CFD-Analysen unerlässlich, da sie sich direkt auf die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse auswirkt. Ein gut abgestimmtes Netz verbessert die Genauigkeit, eine übermäßige Abstimmung erhöht jedoch die Rechenkosten ohne großen Nutzen. Netzempfindlichkeitsstudien helfen daher dabei, das optimale Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und Effizienz zu finden. Dies ermöglicht eine bessere Entscheidungsfindung bei der praktischen Nutzung der Ressourcen. Die Tabelle in der unteren rechten Ecke vergleicht verschiedene Netzdichten von 20 bis 35 Prozent mit den entsprechenden Kraftkoeffizienten. (Cf).
Weitere Informationen zur Studie über Berechnungsnetze:
Ergebnisse und Diskussion
Das Bild 4 zeigt eine Analyse, in der experimentelle und simulierte Daten in Bezug auf den Windkraftbeiwert, der auf die komplexe Antennenstruktur wirkt, verglichen werden. In der Mitte des Bildes veranschaulicht ein Liniendiagramm die Variation des Grundkraftbeiwerts Cf in Abhängigkeit von der Windrichtung θ, gemessen in Grad von 0∘ bis 360∘. Die vertikale Achse stellt den Grundkraftbeiwert Cf dar, der von 0,0 bis 1,0 reicht, und die horizontale Achse zeigt die Windrichtungen, die in 30-Grad-Intervallen von 0∘ bis 360∘ zunehmen. In der Grafik sind zwei Datensätze dargestellt. Die schwarze Linie mit dreieckigen Markierungen steht für experimentelle Messungen. Die grüne Linie mit kreisförmigen Markierungen stellt die mit RWIND erzielten Simulationsergebnisse dar.
Für weitere Informationen zur Berechnung des Windkraftbeiwerts in RWIND:
Bild 4 zeigt ebenfalls, dass die experimentellen und die RWIND-Ergebnisse einem eng aufeinander abgestimmten Trend folgen. Dies spiegelt die starke Übereinstimmung der beiden Methoden wider. Insgesamt zeigt der Grundkraftbeiwert Cf bei variierender Windrichtung ein zyklisches Muster mit deutlichen Minima bei etwa 90∘ und 270∘, wo die aerodynamischen Kräfte am schwächsten sind. Im Gegensatz dazu sind die Maxima bei etwa 0∘, 150∘ und 210 ∘ erkennbar. Dies weist auf die Ausrichtungen hin, in denen die sechs scharfkantigen Antennenstrukturen dem Wind am stärksten ausgesetzt sind. Die enge Übereinstimmung zwischen den experimentellen und den simulierten Daten bestätigt, dass RWIND das aerodynamische Verhalten der Antenne mit einer durchschnittlichen Abweichung von etwa 5 % effektiv nachbildet.
Fazit
In der vorliegenden Studie wird die numerische Windsimulation insgesamt erfolgreich validiert, indem sie mit experimentellen Daten für eine Struktur mit sechs scharfkantigen Antennen verglichen wird. Die Ergebnisse zeigen, dass RWIND die experimentellen Ergebnisse über den gesamten Bereich der Windrichtungen genau reproduziert. Dies weist auf die Effektivität des Programms bei der Vorhersage von Windlasten auf geometrisch komplexe, schlanke Strukturen hin. Durch die Integration von aufgezeichneten Kraftkoeffizientendaten, Strukturschemata und einer CFD-Strömungsfeldvisualisierung wird eine umfassende und kohärente Darstellung des Studienansatzes und der wichtigsten Ergebnisse ermöglicht.
Zusätzlich dazu gibt es hier das Beispiel von der RWTH Aachen, das die Modelle von einfachen und dreifachen scharfkantigen Antennen veranschaulicht.
