Historia de Usuario
En este ejemplo, vamos a calcular el coeficiente promedio de presión del viento (Cp), que pertenece al Grupo 2, según la Figura 2.2 en la Hoja Merckblatt-M3 del WTG:
- G2: Valores absolutos con requisitos de precisión media. El área de aplicación puede incluir parámetros o estudios preliminares cuando se planifican investigaciones posteriores con mayor precisión (por ejemplo, examen en túneles de viento de clase G3).
- R2: Solitario, todas las direcciones del viento relevantes con resolución direccional suficientemente fina.
- Z2: Valores medios estadísticos y desviaciones estándar, siempre que impliquen procesos de flujo estacionario, para los que una verificación estadística de las fluctuaciones con un factor de pico sea suficiente.
- S1: Efectos estáticos. Son suficientes para representar el modelo estructural con el detalle mecánico necesario, pero sin propiedades de masa y amortiguación.
Descripción
Este caso de verificación, basado en el documento del WTG alemán: Hoja de Datos del Comité 3 - Simulación Numérica de Flujos de Viento, Capítulo 9.2 (ver referencias), compara los cálculos de dinámica de fluidos computacional de los coeficientes de presión del viento con los datos experimentales de la base de datos aerodinámica de la Universidad Politécnica de Tokio (TPU) (ver referencias). El análisis se centra en un modelo de edificio de gran altura (relación 2:1:5). Los datos del túnel de viento de capa límite de TPU, rigurosamente validados a través de estudios revisados por pares y accesibles públicamente a través de su portal de ingeniería del viento, proporcionan métricas de referencia para evaluar la precisión del modelado de turbulencia y los efectos de sensibilidad de la malla. Los parámetros clave de comparación incluyen valores medios de los coeficientes de presión en zonas críticas del edificio (cara de barlovento, paredes laterales, regiones de separación de sotavento).
| Propiedades del Fluido | Viscosidad Cinética | ν | 1.500e |
m2/s |
| Densidad | ρ | 1.250 | kg/m3 | |
| Túnel de Viento | Longitud | Dx | 2720.000 | m |
| Ancho | Dy | 900.000 | m | |
| Altura | Dz | 720.000 | m | |
| Edificio | Ancho | B | 80.000 | m |
| Profundidad | D | 40.000 | m | |
| Altura | H | 200.000 | m | |
| Parámetros de Cálculo | Velocidad de Referencia | uref | 22.000 | m/s |
| Altura de Referencia | zref | 10.000 | m | |
| Constante de von Kármán | κ | 0.410 | ||
| Constante de Viscosidad de Turbulencia | Cμ | 0.090 | ||
| Longitud de Rugosidad Aerodinámica de Superficie | z0 | 1.000 | m |
Solución Analítica
No hay solución analítica disponible. El ejemplo proporciona una comparación de los resultados de simulación RWIND CFD y los datos experimentales (Base de Datos Aerodinámica de TPU).
El perfil de velocidad del viento se calcula a partir de la Ley de Potencia según la siguiente fórmula:
donde el exponente del perfil α se define como
La intensidad de la turbulencia se toma de la Base de Datos Aerodinámica de TPU de acuerdo al siguiente gráfico para α=0.25.
Configuraciones de Simulación RWIND
- Modelado en RWIND 3.04
- Tipo de simulación de flujo transitorio
- Densidad de malla es del 20% con refinamientos: 5,698,702 celdas
- Modelo Spalart-Allmaras DDES
- Condición de frontera de entrada - perfil de velocidad y perfil de intensidad de turbulencia
- Parte inferior del túnel - condición de frontera de no deslizamiento
- Paredes y parte superior del túnel - condición de frontera de deslizamiento
- Condición de salida - presión cero; gradiente de velocidad cero
Requisito de Precisión Hoja Merckblatt M3
La Hoja Merckblatt M3 del WTG proporciona dos métodos clave para validar los resultados de simulación. El Método de la Tasa de Aciertos (q) 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 error). Este enfoque evalúa la confiabilidad de la simulación calculando una tasa de aciertos q, similar a las funciones de confianza utilizadas en la teoría de confiabilidad. En contraste, el método del Error Cuadrático Medio Normalizado (e2) ofrece una evaluación de precisión más detallada cuantificando la desviación cuadrática promedio entre los valores simulados y los de referencia, normalizando para tener en cuenta las diferencias de escala. Juntos, estos métodos proporcionan medidas tanto cualitativas como cuantitativas para la validación de la simulación.
Resultados
Los valores deseados del parámetro de tasa de aciertos q son más del 90% y el error cuadrático medio relativo debe ser menor que 0.01. De la siguiente tabla, está claro que la comparación de datos experimentales de TPU con los resultados de la simulación de flujo en RWIND no cumple con los requisitos.
| Superficie | q [%] para Wrel = 10% | q [%] para Wrel = 20% | e2 [1] |
| Barlovento | 27.3 | 72.7 | 0.035 |
| Lateral Derecho | 0.0 | 9.1 | 0.114 |
| Lateral Izquierdo | 27.3 | 45.5 | 0.121 |
| Sotavento | 0.0 | 0.0 | 0.118 |
En los siguientes gráficos, los coeficientes de presión del viento promedio obtenidos mediante simulación RWIND se comparan con los valores medios de las series temporales en los puntos de prueba medidos mediante la Base de Datos Aerodinámica de TPU. Las comparaciones se llevan a cabo en las superficies de barlovento, lateral derecho, lateral izquierdo y sotavento del edificio.
Los gráficos muestran una muy buena concordancia en la superficie de barlovento. Los coeficientes de presión del viento son cruciales para las cargas de los edificios, especialmente en esta superficie. En el caso de otras superficies, se observa una buena concordancia entre la tendencia de los resultados de la simulación y el experimento.
Nota: Los datos experimentales mostrados en los gráficos están trazados sobre la base de archivos de datos obtenidos del sitio web de TPU. Sin embargo, los gráficos mostrados en el sitio web de TPU coinciden con los archivos de datos solo en el caso de la superficie de barlovento.
