Historia de usuario
En este ejemplo, vamos a calcular el coeficiente promedio de fuerza y momento para Universidad Politécnica de Tokio (TPU) como un ejemplo experimental (M0/S0), tal como aquellos aplicables al proceso de diseño estructural basado en el WTG-Merkblatt-M3.
Esta parte de los resultados pertenece al Grupo 1 según la Figura 2.2 en WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Valores absolutos con requisitos de precisión media. El área de aplicación puede incluir parámetros o estudios preliminares cuando se planean investigaciones posteriores con mayor precisión (por ejemplo, examen en túnel de viento de clase G3).
- R2: Solitaria, todas las direcciones de viento relevantes con suficiente resolución direccional fina.
- Z1: Valores medios estadísticos, siempre que se refieran a procesos de flujo estacionarios donde las fluctuaciones (por ejemplo, debido a turbulencias en el flujo de aproximación) pueden capturarse suficientemente por otras medidas.
- S1: Efectos estáticos. Es suficiente representar el modelo estructural con el detalle mecánico necesario, pero sin propiedades de masa y amortiguación.
Descripción
Al investigar el comportamiento aerodinámico a través de diferentes planos, esta comparación tiene como objetivo proporcionar una comprensión más completa de la distribución de fuerzas. Dichos conocimientos son críticos para evaluar la estabilidad general del modelo, el rendimiento aerodinámico y la respuesta estructural bajo condiciones de flujo. Los perfiles de entrada de velocidad media e intensidad de turbulencia reproducidos en el túnel de viento corresponden a los de la Categoría de Terreno IV según el estándar del Instituto de Arquitectura de Japón (AIJ). El exponente de 0.25 citado en algunas figuras fue clasificado como un error tipográfico tras la consulta. El modelo asumido se muestra en la Imagen 1:
Las suposiciones subyacentes al análisis y las simulaciones se resumen en la Tabla 1, proporcionando una visión clara de los parámetros y condiciones consideradas a lo largo del estudio.:
Tabla 1: Datos de entrada del modelo rectangular 3D
| Parámetro | Símbolo | Valor | Unidad |
|---|---|---|---|
| Velocidad de Viento de Referencia | UH | 11 | m/s |
| Altura del Techo | Href | 0.4 | m |
| Exponente del Perfil | α | 0.25 | - |
| Categoría de Terreno | - | IV | - |
| Densidad del Aire – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m³ |
| Modelo de Turbulencia – RWIND | RANS K-Omega | - | - |
| Viscosidad Cinética – RWIND | ν | 1.5×10⁻⁵ | m²/s |
| Orden del Esquema – RWIND | Second | - | - |
| Valor Objetivo de Residual – RWIND | 10⁻⁴ | - | - |
| Tipo de Residual – RWIND | Pressure | - | - |
| Número Mínimo de Iteraciones – RWIND | 800 | - | - |
| Capa Límite – RWIND | NL | 10 | - |
| Tipo de Función de Pared – RWIND | Enhanced / Blended | - | - |
Estudio de Malla Computacional
La Imagen 2 resume un estudio de sensibilidad de malla, mostrando que a medida que la densidad de la malla aumenta de 20% a 55%, el coeficiente de fuerza (Cf) aumenta de 0.95 a 1.05 y luego se estabiliza. Esto indica que la simulación alcanza independencia de malla al 55%, lo que significa que una mayor refinación ya no cambia los resultados de manera significativa. La imagen resalta la importancia de la calidad de malla para asegurar resultados de simulación de viento fiables.
Además, el estudio de malla computacional debe realizarse de acuerdo con el siguiente enlace:
La Imagen 3 presenta un diagrama que compara los resultados de RWIND con datos experimentales, respecto al trazado de perfiles de velocidad de viento normalizados en función de la altura. Los resultados muestran muy buena concordancia.
Requisito de Precisión WTG-Merkblatt
El WTG-Merkblatt M3 proporciona dos métodos clave para validar los resultados de simulación. El Método de Tasa de Acierto evalúa cuántos de los valores simulados Pi coinciden correctamente con los valores de referencia Oi dentro de una tolerancia definida, utilizando un enfoque de clasificación binaria (acierto o fallo). Este enfoque evalúa la fiabilidad de la simulación calculando una tasa de acierto q, similar a las funciones de confianza utilizadas en teoría de fiabilidad. En contraste, el método del Error Cuadrático Medio Normalizado (e2) ofrece una evaluación de precisión más detallada al cuantificar la desviación cuadrática media entre valores simulados y de referencia, normalizada para tener en cuenta las diferencias de escala. Juntos, estos métodos proporcionan medidas tanto cualitativas como cuantitativas para la validación de simulaciones.
Resultados y Discusión
La Tabla 3 muestra una muy buena concordancia para la métrica de validación entre los resultados de RWIND y los datos de referencia WTG para valores de velocidad normalizados. Todas las desviaciones están dentro de un rango aceptable (por debajo del 10%), por lo que la tasa de acierto obtenida es q = 100%, y el error cuadrático medio normalizado e2 = 0.00001 es extremadamente bajo. Estos resultados confirman que RWIND reproduce con precisión el perfil de viento de referencia y cumple con estrictos criterios de validación.
Tabla 3: Métrica de Validación para el Perfil de Velocidad
| WTG - u / uref | RWIND - u / uref | Desviación (%) | n |
|---|---|---|---|
| 0.394 | 0.390 | 1.045 | 1.00 |
| 0.478 | 0.473 | 1.093 | 1.00 |
| 0.566 | 0.564 | 0.291 | 1.00 |
| 0.629 | 0.629 | 0.081 | 1.00 |
| 0.675 | 0.674 | 0.183 | 1.00 |
| 0.713 | 0.712 | 0.072 | 1.00 |
| 0.750 | 0.753 | 0.422 | 1.00 |
| 0.784 | 0.783 | 0.098 | 1.00 |
| 0.822 | 0.819 | 0.362 | 1.00 |
| 0.869 | 0.865 | 0.463 | 1.00 |
| 0.897 | 0.901 | 0.496 | 1.00 |
| 0.939 | 0.940 | 0.113 | 1.00 |
| 1.010 | 1.005 | 0.493 | 1.00 |
| 1.065 | 1.070 | 0.540 | 1.00 |
| 1.123 | 1.124 | 0.044 | 1.00 |
| 1.161 | 1.162 | 0.121 | 1.00 |
| 1.195 | 1.195 | 0.051 | 1.00 |
| 1.237 | 1.240 | 0.263 | 1.00 |
| 1.266 | 1.270 | 0.291 | 1.00 |
| 1.299 | 1.302 | 0.223 | 1.00 |
La Imagen 4 ilustra cómo se definen las zonas de superficie en RWIND para calcular con precisión los coeficientes de fuerza en cada cara de un modelo de edificio expuesto al viento. El modelo 3D, con una forma rectangular simple, tiene cada cara frontal, trasera, izquierda, derecha y superior asignada a una zona codificada por colores distinta. Estas zonas permiten a RWIND analizar y calcular por separado las fuerzas aerodinámicas y la distribución de presión de forma independiente para cada superficie. En lugar de colocar numerosas sondas de punto, optamos por definir zonas de superficie, ya que RWIND puede determinar directamente el coeficiente de fuerza para cada zona definida.
En el centro de la Imagen 4, la ventana "Editar Zona" está abierta para la Zona No. 2 – Frontal como ejemplo. Este salida detallada incluye parámetros aerodinámicos clave. El área proyectada de esta zona en la dirección del viento es de 0.04 m². La fuerza de arrastre calculada en esta superficie es de 1.7 N, y el correspondiente coeficiente de fuerza (Cx) es 0.56. En la siguiente fórmula, se calcula el coeficiente de fuerza del viento (coeficiente de fuerza aerodinámica) para una zona de presión específica como ejemplo. Este valor puede luego compararse con el valor mostrado bajo la pestaña Info en el diálogo Editar Datos del Modelo.
La Imagen 5 muestra los resultados de post-procesamiento de una simulación de viento realizada para un edificio de gran altura utilizando el modelo de turbulencia k-omega. En el lado derecho de la imagen, una tabla de comparación muestra los coeficientes de fuerza obtenidos de la simulación CFD junto con valores de referencia de la directriz WTG. La superficie frontal tiene un coeficiente de fuerza de 0.562, comparado con la referencia WTG de 0.540, lo que corresponde a una desviación del 4.07%. La superficie trasera, que está sujeta a presión negativa debido a efectos de estela, muestra una desviación ligeramente mayor del 6.09%. Las superficies laterales también exhiben pequeñas diferencias, con desviaciones que varían entre 3.68% y 5.38%. Notablemente, el coeficiente de fuerza total en la dirección del viento que representa el efecto de arrastre global muestra solo una desviación del 1.95%, destacando la precisión y fiabilidad de la simulación CFD en capturar el comportamiento aerodinámico general de la estructura.
Los valores reales de fuerza en newtons para cada cara del edificio se muestran debajo de esta tabla. La superficie frontal está sujeta a una fuerza de arrastre positiva de 1.7 N, mientras que las superficies trasera, derecha e izquierda experimentan fuerzas negativas debido a la succión y al arrastre lateral. La fuerza neta total en la dirección del viento asciende a 3.2 N, coincidiendo con la salida de la fuerza global expuesta en el resumen de la malla. La simulación utilizó una velocidad de viento de referencia de 11 m/s y un área de cara de 0.04 m².
La Tabla 4 muestra que RWIND replica con precisión los coeficientes de fuerza medios de referencia WTG en todas las superficies, con desviaciones que oscilan entre el 1.95% y el 6.09% y q=100% como tasa de acierto. El bajo error cuadrático medio normalizado e2=0.0015 confirma una fuerte concordancia entre simulación y mediciones, cumpliendo eficazmente con los estándares de validación.
Tabla 4: Métrica de Validación para Coeficientes de Fuerza Media Entre WTG y RWIND
| Coeficiente de Fuerza | Cf,media – WTG | Cf – RWIND – k-omega | Desviación (%) | n |
|---|---|---|---|---|
| Superficie frontal | 0.540 | 0.562 | 4.07 | 1.00 |
| Superficie trasera | –0.528 | –0.496 | 6.09 | 1.00 |
| Superficie lateral derecha | –0.829 | –0.860 | 3.68 | 1.00 |
| Superficie lateral izquierda | –0.847 | –0.893 | 5.38 | 1.00 |
| Fuerza total en dirección del viento | 1.070 | 1.058 | 1.95 | 1.00 |
| Fuerza total en dirección transversal | 0.018 | 0.020 | 10.00 | 1.00 |
| Momento en dirección del viento | 0.582 | 0.520 | 10.65 | 1.00 |
| Momento en dirección transversal | 0.010 | 0.0099 | 1.00 | 1.00 |
