Ejemplo de verificación
Este ejemplo presenta datos experimentales y numéricos de las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre secciones transversales de tableros de puentes [1]. Dichos datos se utilizan ampliamente como referencias de comparación para validar simulaciones CFD y para evaluar el comportamiento aeroelástico en aplicaciones de ingeniería eólica. El flujo alrededor de secciones transversales de puentes representa un problema aerodinámico complejo que implica separación del flujo, interacción de la capa de cortadura y desarrollo de la estela. Dependiendo de la geometría y del ángulo de ataque, pueden ocurrir efectos aerodinámicos tanto estacionarios como no estacionarios, incluyendo desprendimiento de vórtices, galope y flameo.
En comparación con cuerpos romos simples, los tableros de puentes exhiben un comportamiento del flujo altamente dependiente de la geometría. Pequeños detalles geométricos (p. ej., agudeza de los bordes, barandillas, carenados) pueden influir significativamente en la distribución de presiones y en los coeficientes de fuerza. Por lo tanto, la predicción precisa de estos efectos es particularmente desafiante para las simulaciones numéricas. Este ejemplo está fundamentalmente relacionado con el Grupo 4, ya que aborda fenómenos aeroelásticos, particularmente el flameo y el comportamiento de interacción fluido-estructura (FSI) de secciones transversales de puentes. Sin embargo, dado que una simulación FSI bidireccional completamente acoplada no está disponible actualmente en RWIND, una representación directa de los efectos aeroelásticos no es factible.
Por lo tanto, se adopta un enfoque simplificado. En consecuencia, este ejemplo se trata en RWIND como perteneciente al Grupo 1, según Figura 2.2 del Boletín Técnico WTG-Merkblatt M3, basado en la evaluación de la velocidad media del viento y las correspondientes cantidades aerodinámicas promediadas:
- G1: Valores cualitativos con requisitos de baja precisión para su uso en la investigación básica o el diseño preliminar. El esfuerzo y los requisitos para el nivel de detalle se reducen, ya que a menudo no todas las condiciones de contorno están completamente aclaradas.
- R1: Solitaria (sin edificios circundantes), análisis de direcciones de viento importantes individuales.
- Z1: Valores medios estadísticos, siempre que se trate de procesos de flujo estacionarios donde las fluctuaciones (p. ej., debido a la turbulencia del flujo de aproximación) puedan ser capturadas suficientemente por otras medidas.
- S1: Efectos estáticos. Es suficiente representar el modelo estructural con el detalle mecánico necesario, pero sin propiedades de masa y amortiguamiento.
Descripción
El caso investigado se centra en el comportamiento aerodinámico de una sección transversal de tablero de puente sometida a un flujo entrante estacionario en diferentes ángulos de ataque. El objetivo principal de este estudio es determinar los coeficientes de fuerza aerodinámica estacionarios, con especial énfasis en el coeficiente de arrastre CD. Basándose en simulaciones CFD en estado estacionario, se evalúa la fuerza de arrastre media que actúa sobre la sección transversal y posteriormente se adimensionaliza utilizando la presión dinámica de referencia y las dimensiones características. Esto permite el cálculo de CD y posibilita una comparación consistente con los datos experimentales, así como su aplicación en el diseño estructural.
Además del coeficiente de arrastre, también pueden evaluarse otros coeficientes globales como la sustentación CL y el momento CM para proporcionar una caracterización aerodinámica más completa del tablero del puente. Sin embargo, el enfoque principal sigue siendo la predicción precisa de CD como un parámetro clave para la carga en la dirección del viento.
|
B |
Anchura de la estructura |
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Lb |
Longitud de la estructura |
|
U |
Velocidad del viento |
El punto de partida es la presión dinámica del viento, definida como qo=1/2 ρU2, donde ρ es la densidad del aire y U es la velocidad media del viento. Esta cantidad representa la energía cinética del flujo de aire por unidad de volumen y sirve como referencia para todas las cargas aerodinámicas.
Tabla 1: Datos de entrada de las secciones del puente
| Parámetro | Símbolo | Valor | Unidad |
|---|---|---|---|
| Velocidad de corriente libre | u | 8.2 | m/s |
| Altura de referencia | Href | 180 | mm |
| Densidad del aire – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m³ |
| Modelo de turbulencia – RWIND | RANS K-Omega | - | - |
| Viscosidad cinemática – RWIND | ν | 1.5×10⁻⁵ | m²/s |
| Orden del esquema – RWIND | Segundo | - | - |
| Valor objetivo residual – RWIND | 10⁻⁴ | - | - |
| Tipo de residual – RWIND | Presión | - | - |
| Número mínimo de iteraciones – RWIND | 800 | - | - |
| Capa límite – RWIND | NL | 10 | - |
| Tipo de función de pared – RWIND | Estándar | - | - |
Estudio de malla computacional
La Figura 2 presenta un análisis de sensibilidad de malla de un modelo cilíndrico en RWIND. El coeficiente de fuerza calculado (Cf) disminuye ligeramente de 0.76 con una densidad de malla del 15% a 0.71 al 25%, y luego a 0.70 al 35%. Esta reducción gradual indica que la solución se está estabilizando a medida que se refina la malla. La pequeña variación en Cf a densidades de malla más altas demuestra una convergencia general, lo que sugiere que un refinamiento adicional tiene solo un impacto menor en los resultados.
Además, el estudio de la malla computacional debe realizarse de acuerdo con el siguiente enlace:
Requisito de precisión del Boletín Técnico WTG-Merkblatt M3
El Boletín Técnico WTG-Merkblatt M3 proporciona dos métodos clave para validar los resultados de la simulación. El método de la Tasa de Aciertos (Hit Rate) 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 aciertos q, similar a las funciones de confianza utilizadas en la teoría de fiabilidad. Por el contrario, el método del Error Cuadrático Medio Normalizado (e2) ofrece una evaluación de precisión más detallada al cuantificar la desviación cuadrática media entre los 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 la simulación.
Resultados y discusión
La Figura 3 ilustra la distribución de presiones superficiales y las fuerzas aerodinámicas integradas en una placa cuadrada bidimensional. La simulación se realiza con una velocidad de flujo libre de 8.2 m/s, y los contornos de presión varían de +32.1 Pa a −45.4 Pa, destacando las regiones de presión positiva y succión. La ventana de información compara los resultados de la geometría CAD original con los del modelo computacional, reportando una fuerza resultante de 4.8 N junto con sus componentes de fuerza y el correspondiente centro de presiones. Este ejemplo demuestra la capacidad de RWIND para calcular con precisión las distribuciones de presión, integrar las cargas aerodinámicas y determinar el centro de presiones con fines de validación y transferencia de cargas estructurales. Las cargas aerodinámicas integradas obtenidas del modelo computacional dan como resultado una fuerza total de 4.8 N, incluyendo una fuerza de arrastre de 2.0 N, que se utiliza para calcular un coeficiente de arrastre de CD = 0.073 basado en un área de referencia de 0.648 m². Además, el centro de presiones calculado proporciona la ubicación de la fuerza aerodinámica resultante que actúa sobre el modelo. En conjunto, estos resultados demuestran la consistencia de la distribución de presiones, el cálculo integrado de fuerzas y la evaluación del coeficiente aerodinámico utilizados para fines de validación.
La Tabla 2 compara los coeficientes de arrastre obtenidos de las mediciones experimentales y de RWIND para cinco ángulos de ataque. Para cada caso, se reportan la diferencia absoluta (Pi − Oi), la desviación porcentual y el cumplimiento con los criterios de aceptación de ±10% y ±20%. Los resultados muestran una concordancia excelente a −10° y 10°, con desviaciones del 5.30% y 2.56%, respectivamente. Se observan discrepancias mayores a −5° y 5°, mientras que el caso de 0° permanece dentro del criterio de aceptación de ±20%. En general, el 40% de los casos satisfacen el criterio de ±10%, mientras que el 60% satisface el criterio de ±20%.
Tabla 2: Comparación del Coeficiente de Presión (Cp) entre RWIND y los datos experimentales
| "Ángulo | Cp – Experimental (Oi) | Cp – RWIND (Pi) | Pi-Oi | Desviación (%) | Tasa de aciertos ≤10% | Tasa de aciertos ≤20%" |
|---|---|---|---|---|---|---|
| -10 | 0.132 | 0.125 | -0.007 | 5.30 | 🟢 | 🟢 |
| -5 | 0.102 | 0.062 | -0.040 | 39.22 | 🔴 | 🔴 |
| 0 | 0.088 | 0.073 | -0.015 | 17.05 | 🔴 | 🟢 |
| 5 | 0.099 | 0.062 | -0.037 | 37.37 | 🔴 | 🔴 |
| 10 | 0.117 | 0.114 | -0.003 | 2.56 | 🟢 | 🟢 |
La Tabla 3 resume los indicadores estadísticos utilizados para evaluar la concordancia entre las predicciones de RWIND y los datos experimentales de referencia. La validación se basa en 5 puntos de datos, resultando en una Tasa de Aciertos del 40% dentro de una desviación de ±10% y del 60% dentro de ±20%. El error de predicción global se cuantifica mediante un Error Cuadrático Medio Normalizado (NMSE) de 0.00093, un Error Medio (ME) de −0.0204, que indica una ligera subestimación general por parte de RWIND, un Error Absoluto Medio (MAE) de 0.0204 y una Raíz del Error Cuadrático Medio (RMSE) de 0.0254. Estas métricas proporcionan una evaluación global de la precisión predictiva y el sesgo del modelo CFD en relación con las mediciones experimentales.
Tabla 3. Métricas de rendimiento estadístico de la validación de RWIND
| Métrica | Valor |
|---|---|
| Número de Puntos de Datos (N) | 5 |
| Tasa de Aciertos (10%) | 40% |
| Tasa de Aciertos (20%) | 60% |
| Error Cuadrático Medio Normalizado, e² | 0.0551 |
| Error Medio (ME) | -0.0204 |
| Error Absoluto Medio (MAE) | 0.0204 |
| Raíz del Error Cuadrático Medio (RMSE) | 0.0254 |
La Figura 4 compara el coeficiente de arrastre (CD) obtenido de las mediciones experimentales y de las simulaciones de RWIND para ángulos de ataque entre −10° y +10°. Ambos conjuntos de datos exhiben una tendencia similar en forma de U, con el arrastre mínimo ocurriendo a 0°. RWIND captura con éxito el comportamiento aerodinámico general, pero subestima consistentemente el coeficiente de arrastre, particularmente en los ángulos intermedios (±5°), mientras que muestra una buena concordancia en los ángulos extremos (±10°). En general, los resultados indican que RWIND predice de manera fiable la tendencia cualitativa de la variación del arrastre con el ángulo de ataque, aunque mejoras adicionales en el modelado de la turbulencia y de la capa cercana a la pared podrían mejorar su precisión cuantitativa.
