Einführung
n der numerischen Strömungsmechanik (CFD) spielen Randbedingungen (BC) eine entscheidende Rolle bei der Definition des Verhaltens von Strömungsbereichen. Bei transienten, also zeitlich variierenden, Simulationen ist die Definition der Eintrittsrandbedingungen im Vergleich zu stationären Simulationen deutlich komplexer (Bild 1). Dies liegt daran, dass transiente Eintrittsrandbedingungen nicht nur räumliche Variationen (zwei Dimensionen an der Eintrittsfläche) beinhalten, sondern auch Zeitabhängigkeiten, was zu einer naturgemäß großen Datenmenge führt. Insbesondere wenn Turbulenzen am Eintritt charakterisiert werden müssen, ist eine sehr feine Auflösung erforderlich, um die Schwankungen korrekt zu erfassen. Mit dieser Funktion können Ingenieure realistische Windböen, Turbulenzen und vorübergehende Strömungsschwankungen in Windsimulationen integrieren. Anders als bei stationären Methoden, die nur die durchschnittlichen Windeffekte erfassen, werden mit TVIBC die schnellen Änderungen der Geschwindigkeit und der Turbulenzintensität reproduziert, wie sie bei Stürmen, Hurrikanen und extremen Windereignissen beobachtet werden.
Konzept der zeitlich variierenden Eintrittsrandbedingung
Bei einem TVIBC-Ansatz wird die Einströmgeschwindigkeit nicht einfach als mittleres Windprofil vorgegeben. Stattdessen wird sie wie folgt modelliert:
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Ū(z) |
Mittleres Geschwindigkeitsprofil als Funktion der Höhe z |
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u'(t,z) |
Schwankende Komponente |
Durch diese zeitliche Variation werden realistische Turbulenzstrukturen, kohärente Böen und Energiespektren sichergestellt, wie sie auch in atmosphärischen Grenzschichten (ABL) beobachtet werden.
Quellen für zeitlich variierende Randbedingungsdaten
Mehrere Methoden können eingesetzt werden, um Daten zur Definition von transienten Eintrittsrandbedingungen zu erhalten:
- "Experimentelle Messungen"
Der direkte Import von Messdaten aus Windkanaltests oder Feldversuchen liefert äußerst realistische Einströmungsbedingungen. Diese Methode ist jedoch ressourcenintensiv und durch die Verfügbarkeit von Experimenten begrenzt.
- "Synthetische Turbulenzgeneratoren"
Numerische Turbulenzgeneratoren können Einströmungsbedingungen mit vorgegebenen statistischen Eigenschaften erzeugen. Dieser Ansatz ist flexibel, kann jedoch reale Turbulenzspektren möglicherweise nicht perfekt nachbilden.
- "Wiederverwendung von transienten Simulationsergebnissen (periodische Randbedingung)"
Die Ergebnisse einer separaten transienten Simulation können als Einströmungsbedingungen für ein anderes CFD-Modell wiederverwendet werden. Dieser periodische Ansatz ist besonders effizient und sorgt für die statistische Konsistenz turbulenter Strukturen.
Weitere Informationen und Implementierung:
Vorteile der Verwendung zeitlich variierender Eintrittsrandbedingungen gegenüber stationären Eintrittsbedingungen
✅ Realistische Darstellung der Turbulenz
- Es werden vorübergehende Windböen, Wirbel und Turbulenzspektren erfasst, die sich direkt auf Druckschwankungen an strukturellen Flächen auswirken.
- Unverzichtbar für Hochhäuser, schlanke Türme, Brücken und leichte Dächer, die empfindlich auf dynamische Windkräfte reagieren.
✅ Verbesserte Lastvorhersagen
- Zeitlich variierende Einströmungen ermöglichen eine direkte Schätzung von Böenfaktoren, dynamischer Verstärkung und Spitzendrücken, anstatt sich auf empirische Korrekturfaktoren zu verlassen.
- Reduziert Unsicherheiten bei kritischen Bemessungswerten wie Grundschub, Kippmomenten und Stützreaktionen.
✅ Validierung mit experimentellen Daten
- Viele Windkanalstudien zeigen, dass Strukturen nichtstationären Belastungen ausgesetzt werden.
- TVIBC-Simulationen zeigen im Vergleich zu Methoden mit stationärer Einströmung eine bessere Übereinstimmung mit Windkanalversuchen und Feldmessungen.
✅ Kompatibilität mit Normen und Richtlinien
- Moderne Normen (z. B. Eurocode EN 1991-1-4, ASCE 7-22, WTG-Merkblatt) betonen die Bedeutung von Böeneffekten und Turbulenzen.
- TVIBC bietet einen direkten Berechnungsweg, um diese Effekte einzubeziehen, und unterstützt somit die Erfüllung der Erwartungen der Zulassungstechniker.
Fazit
Die zeitlich variierende Eintrittsrandbedingung ist ein bedeutender Fortschritt in der computergestützten Windtechnik. Durch die Abkehr von stationären Annahmen ermöglicht sie es Ingenieuren, die volle Dynamik atmosphärischer Turbulenzen und deren Auswirkungen auf Bauwerke zu erfassen. Obwohl die Berechnung aufwendiger ist, machen die verbesserte Genauigkeit und die stärkere Übereinstimmung mit experimentellen Daten die TVIBC zu einem unverzichtbaren Tool für kritische Projekte, bei denen die Sicherheit, Gebrauchstauglichkeit und Zulassungsakzeptanz von realistischen Windlastprognosen abhängen.
