Einführung
Die genaue Vorhersage windinduzierter Kräfte auf Antennenstrukturen ist ein entscheidender Aspekt der Bau- und Telekommunikationstechnik – insbesondere bei hochfrequenten, schlanken Geräten wie der Kathrein 80010804-Antenne. In dieser Studie wird in Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen eine umfassende Validierung CFD-basierter Windsimulationen für den Antennenquerschnitt durchgeführt. Ziel ist es, die Zuverlässigkeit der von der Software "RWIND Simulation" generierten numerischen Ergebnisse durch einen Vergleich mit Windkanalmessungen zu beurteilen. Dabei werden sowohl interne Tests als auch Referenzdaten, die in der Masterarbeit der RWTH Aachen [1] veröffentlicht wurden, sowie technische Daten (Bilder 1 und 2) einbezogen.
Eine der größten Herausforderungen im Validierungsprozess ist die Empfindlichkeit des aerodynamischen Verhaltens gegenüber der Reynolds-Zahl, insbesondere bei niedrigen Anströmwinkeln des Windes (z. B. 0° und 180°), bei denen es zur Trennung und Wiederverbindung der Strömungen kommt. Die aerodynamische Leistung hängt bei diesen Ausrichtungen stark vom Strömungsregime, der Flächenrauheit und dem Maßstab des physikalischen Modells ab. Dies führt zu Diskrepanzen zwischen CFD-Ergebnissen und experimentellen Erkenntnissen.
Diese Validierungsstudie dient nicht nur dem Benchmarking von RWIND, sondern trägt auch zur Verfeinerung bewährter Verfahren zur Simulation komplexer Antennengeometrien unter Windbelastung bei. Die Ergebnisse verdeutlichen, wie essenziell es ist, Reynolds-Effekte, Randbedingungen und geometrische Genauigkeit zu berücksichtigen, um eine sinnvolle Übereinstimmung mit experimentellen Daten zu erreichen.
![CFD Simulations for Wind Load Analysis of Antenna Structures: Validation through Wind Tunnel Testing [1]](/de/webimage/057701/4702092/Image.png?mw=760&hash=ec9a55cdca40d30b4481aa04757df3b01dc1fa64)
Beschreibung
In dem vorliegenden 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 den Kathrein-Antennenquerschnitt 80010804 in RWIND dar. Dieser ist über einer Gitterfläche angeordnet, die als Grundebene bzw. Windkanalboden dient. Das Modell enthält mehrere dimensionale Beschriftungen, die in Bild 3 auf bestimmte Messungen hinweisen. Die Gesamthöhe der Antenne beträgt 1,50 m, ihre Breite (b) 0,3 m und ihre Basis ist 0,20 m über dem Boden erhöht, wie in Bild 3 dargestellt. Es ist wichtig zu beachten, dass davon ausgegangen wird, dass die Referenzfläche über alle Windrichtungen hinweg konstant bleibt. Dies ist durch die folgende Formel definiert:
Eingabedaten und Annahmen
Die erforderliche Annahme der Windsimulation wird in der folgenden Tabelle veranschaulicht:
| Tabelle 1: Maßstabsverhältnis und Eingabedaten | |||
| Windgeschwindigkeit | V | 14 - 41 | m/s |
| Höhe | H | 1,5 | m |
| Bodenabstand | Spalt | 0,20 | m |
| Luftdichte - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Windrichtungen | θwind | 0o bis 360o mit Schrittweite 30o | Grad |
| Turbulenzmodell - RWIND | Stationärer RANS k-ω SST | - | - |
| Kinematische Viskosität - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Schemaordnung - RWIND | Zweite | - | - |
| Residual-Zielwert - RWIND | 10-4 | - | - |
| Residual-Typ - RWIND | Druck | - | - |
| Minimale Anzahl von Iterationen - RWIND | 800 | - | - |
| Grenzschicht - RWIND | NL | 10 | - |
| Art der Wandfunktion - RWIND | Erweitert / Gemischt | - | - |
| Turbulenzintensität | I | 5% | - |
Studie zum Berechnungsgitter
Bei der CFD-Analyse ist eine Studie zum Berechnungsgitter unerlässlich, da dieses sich direkt auf die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse auswirkt. Ein gut verfeinertes Netz verbessert die Präzision, eine übermäßige Verfeinerung erhöht jedoch den Rechenaufwand, ohne dass dies mit einem großen Nutzen einhergeht. Analysen der Netzempfindlichkeit helfen daher, das optimale Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und Effizienz zu finden und ermöglichen eine bessere Entscheidungsfindung bei der praktischen Ressourcennutzung. Die Tabelle in der unteren rechten Ecke vergleicht verschiedene Netzdichten im Bereich von 15 % bis 55 % und ihre entsprechenden Kraftbeiwerte (C_f), wie in Bild 4 dargestellt.
Für weitere Informationen zur Berechnungsnetzanalyse:
Ergebnisse und Diskussion
Bild 5 vergleicht den Kraftbeiwert Cf über das Antennenmodell hinweg, basierend auf Windkanalmessungen und RWIND-Ergebnissen bei Windgeschwindigkeiten von 14 m/s bzw. 41 m/s. Beide Simulationen folgen dem experimentellen Trend und bestätigen somit die korrekte Empfindlichkeit der Strömungsorientierung. Sie unterschätzen jedoch die Spitzenwerte um 10 % bzw. 12 %. Das Minimum von Cf tritt bei 90∘ und 270∘ auf, das Maximum bei 180∘, was die Windeinwirkung widerspiegelt. Die eingefügte CFD-Visualisierung veranschaulicht die Strömungstrennung und stützt die Ergebnisse. Die Reynolds-Zahl hat Einfluss auf Strömungstrennung, Turbulenz und Wirbelablösung. Bereits kleine Unterschiede der Reynolds-Zahl zwischen CFD (bei 14 m/s und 41 m/s) und dem Windkanal können zu Änderungen der Druckverteilung führen, insbesondere an runden Eckabschnitten. Aufgrund der Komplexität der Physik ist es möglich, dass RWIND die Reynolds-Effekte nicht vollständig reproduziert. Der Vergleich zeigt jedoch eine angemessene Übereinstimmung mit nur geringfügigen Abweichungen, die auf die Effekte der Reynolds-Zahl zurückzuführen sind.
Weitere Informationen zur Berechnung des Windkraftbeiwertes in RWIND sind hier zu finden:
Fazit
Insgesamt wird in der vorliegenden Studie die numerische Windsimulation für den Kathrein-Antennenquerschnitt 80010804 durch den Vergleich der RWIND-Ergebnisse mit experimentellen Daten, die in Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen bereitgestellt wurden, validiert. Der Vergleich bestätigt, dass RWIND den aerodynamischen Kraftbeiwert der Antenne mit abgerundeten Ecken über alle Windrichtungen hinweg zuverlässig erfasst. Damit wird die Fähigkeit des Programms demonstriert, Windlasten auf schlanken, gekrümmten Geometrien zu simulieren. Die simulierten und gemessenen Kraftbeiwerte stimmen überein, was die Genauigkeit des Modells unterstreicht.
Darüber hinaus ist hier das von der RWTH Aachen bereitgestellte Beispiel zu finden, in dem die Einzel- und Drei-Scharfkanten-Antennenmodelle veranschaulicht werden:
