Einführung
Da sich die Rechenmethoden ständig weiterentwickeln, ist die numerische Strömungsmechanik (CFD) eine vielversprechende Alternative oder Ergänzung zu Windkanaltests in der strukturellen Windtechnik geworden. Damit CFD jedoch bei Ingenieuren, Behörden und Gutachtern breite Akzeptanz findet, muss ihre Zuverlässigkeit durch strenge Verifizierungs- und Kalibrierungsverfahren sichergestellt werden. Dieser Artikel beschreibt die wichtigsten Schritte und Prinzipien dieser Prozesse.
Gemäß Abschnitt 1.5 der EN 1991-1-4 können numerische Simulationen als Ergänzung zu Berechnungen und physikalischen Windkanaltests verwendet werden, sofern sie "erprobt und/oder ordnungsgemäß validiert" sind. Dadurch ist es Ingenieuren möglich, mithilfe genauer Modelle sowohl der Struktur als auch der natürlichen Windumgebung zuverlässige Last- und Reaktionsinformationen zu erhalten. Ebenso erkennt ASCE 7-22 unter Bezugnahme auf ASCE 49 an, dass CFD zwar zunehmend in der Windtechnik eingesetzt wird, seine Verwendung jedoch sorgfältig kontrolliert werden muss. Da es derzeit keinen speziellen Standard gibt, der die vollständigen Verfahren für CFD in diesem Zusammenhang detailliert beschreibt, betont ASCE, dass jede Anwendung von CFD zur Bestimmung der Windlasten auf das Main Wind Force Resisting System (MWFRS), Komponenten und Verkleidungen (C&C) oder andere Strukturen einem Peer-Review und einer "Verifizierung und Validierung (V&V)" unterzogen werden muss, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse sicherzustellen.
1. Warum Verifikation und Kalibrierung notwendig sind
CFD-Simulationen reagieren sehr empfindlich auf zahlreiche Faktoren, darunter:
- Turbulenzmodelle
- Einströmrandbedingungen
- Netzqualität und -auflösung
- Lösereinstellungen und numerische Schemata
Ohne eine ordnungsgemäße Überprüfung und Kalibrierung können CFD-Ergebnisse zwar optisch überzeugend aussehen, in realen Strukturanwendungen jedoch irreführend oder nicht konservativ sein. Sowohl die EN 1991-1-4 als auch die ASCE 7-22 erkennen das Potenzial von numerischen Methoden wie der CFD zur Bestimmung von Windlasten an, sofern diese Methoden ordnungsgemäß validiert und überprüft wurden.
2. Verifizierung vs. Validierung vs. Kalibrierung: Definitionen
Es ist wichtig, zwischen den folgenden Begriffen zu unterscheiden, die üblicherweise verwechselt werden:
- "Verifizierung" stellt sicher, dass die Gleichungen durch das CFD-Modell korrekt gelöst werden (d. h. der Code und der numerische Aufbau sind fehlerfrei).
- Bei der "Validierung" wird beurteilt, ob das Modell das physikalische Verhalten des realen Systems genau darstellt (normalerweise durch Vergleich mit Windkanal- oder Volldaten).
- Bei der "Kalibrierung" werden Modellparameter angepasst, um CFD-Ergebnisse mit bekannten oder gemessenen Daten in Einklang zu bringen.
3. Verifikationsverfahren
Die Verifikation beinhaltet die Überprüfung, dass:
- Das Netz ausreichend verfeinert ist (Netzempfindlichkeitsstudie)
- Der Zeitschritt und das numerische Schema angemessen sind
- Die Randbedingungen korrekt implementiert sind
- Der Löser konsistent konvergiert
Dazu gehört:
- Analyse von Gitterkonvergenzindex (GCI)
- Restüberwachung und zeitlich gemittelte Stabilitätsprüfungen
- Code-zu-Code-Vergleich (Benchmarking gegen vertrauenswürdige Solver)
4. Validierung mit experimentellen Daten und Normen
Der kritischste Aspekt der CFD-Akzeptanz ist die Validierung gegen physikalische Testergebnisse, wie z. B.:
- Windkanal-Messungen
- Umfassende Feldüberwachung (z. B. Druckmessstellen, Anemometer)
Zu den wichtigsten Schritten gehören:
- "Reproduktion des Testaufbaus":
Geometrie, Geländerauheit und Einströmungsturbulenzen müssen mit dem Experiment übereinstimmen.
- "Vergleich der betrachteten Größen": Mittlere und Spitzendruckkoeffizienten, Kraft-/Momentkoeffizienten oder Strömungsfeld-Eigenschaften.
- "Statistische Analyse": Verwendung von RMS-Fehlern, Korrelationskoeffizienten oder normalisierten Abweichungsmetriken wie:
Die Validierung sollte strukturspezifisch sein, insbesondere für typische und ungewöhnliche Geometrien wie:
- Antennenbeispiele, die in Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen entstanden sind.
- Basierend auf typischen Formen, die in Konstruktionsnormen (EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7, NBC 2020) und experimentellen Studien (TPU, AIJ) definiert sind
5. Kalibrierungsstrategie
Wenn nach der Validierung geringe Abweichungen bestehen, kann eine Kalibrierung durch Anpassung folgender Parameter erfolgen:
- Intensität und Längenskalen der Einströmungsturbulenzen
- Konstanten des Turbulenzmodells (mit Vorsicht)
- Flächenrauheit und Wandfunktionen
Eine Überkalibrierung muss jedoch vermieden werden, da diese sonst zu einem Modell führen kann, das zwar auf einen bestimmten Fall zugeschnitten ist, aber anderswo unzuverlässig wäre.
6. Dokumentation und Rückverfolgbarkeit
Damit CFD-Ergebnisse von Baubehörden oder zertifizierenden Ingenieuren akzeptiert werden, muss der Prozess wie folgt aussehen:
- Transparent: Alle Eingabeparameter, Lösereinstellungen und Annahmen müssen dokumentiert sein
- Wiederholbar: Andere Experten sollten in der Lage sein, die Ergebnisse zu reproduzieren
- Rückverfolgbar: Validierungsfälle müssen mit veröffentlichten Benchmarks oder experimentellen Referenzen verknüpft werden
7. Integration in den Workflow der statischen Bemessung
Schließlich, damit CFD in der Bestimmung von Strukturbelastungen akzeptiert wird:
- Die CFD-Ausgaben (z. B. Druckverteilungen) müssen in FEM-Software (z. B. RFEM) übertragen werden
- Lastkombinationen müssen den LRFD- oder EN-Kombinationen folgen
- Die Druckdaten müssen statistisch valide Windaktionen darstellen (z. B. 50-jährige Wiederholungsperiode)
Fazit
CFD ist für die Zukunft der Windtechnik vielversprechend und bietet kostengünstige, flexible und detaillierte Einblicke in das aerodynamische Verhalten. Seine Akzeptanz hängt jedoch vollständig von einer disziplinierten Überprüfung, einer robusten Validierung und einer sorgfältigen Kalibrierung ab. Wenn es systematisch durchgeführt wird, kann CFD zu einem vertrauenswürdigen Bestandteil eines "Design by Analysis"-Ansatzes werden, der durch Standards und bewährte technische Verfahren unterstützt wird.