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 cálculos de dinámica de fluidos computacional de coeficientes de presión del viento con 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 alto (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 de viento, proporcionan métricas de referencia para evaluar la precisión del modelado de turbulencias y los efectos de sensibilidad de 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 Cinématica | ν | 1.500e-5 | m2/s |
| Densidad | ρ | 1.250 | kg/m3 | |
| Túnel de Viento | Longitud | Dx | 2720.000 | m |
| Anchura | Dy | 900.000 | m | |
| Altura | Dz | 720.000 | m | |
| Edificio | Anchura | 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 de Superficie Aerodinámica | z0 | 1.000 | m |
Solución Analítica
No hay una solución analítica disponible. El ejemplo proporciona una comparación de los resultados de la 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 según el siguiente gráfico para α=0.25.
Configuraciones de Simulación de 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 DDES de Spalart-Allmaras
- Condición de frontera de entrada - perfil de velocidad y perfil de intensidad de turbulencia
- Fondo del túnel - condición de frontera de no deslizamiento
- Paredes del túnel y parte superior - condición de frontera de deslizamiento
- Condición de frontera de salida - presión cero; gradiente de velocidad cero
Resultados
El valor de validación se calcula de acuerdo con WTG: Hoja de Datos del Comité 3 - Simulación Numérica de Flujos de Viento, Capítulo 5.3.2 (ver referencias). Primero, se calcula el valor del parámetro de tasa de aciertos q para el valor medio del coeficiente de presión. Se considera la desviación relativa Wrel.
|
N |
Total number of data points |
|
ni |
Indicator function (1 if prediction is “correct”, 0 otherwise) |
|
Pi |
Predicted value |
|
Oi |
Reference value |
|
Wrel |
Allowed relative deviation |
Alternativamente, el error cuadrático medio relativo e2 también se puede calcular según la siguiente fórmula.
Los valores deseados del parámetro de tasa de aciertos q son más del 90% y el error cuadrático medio relativo debe ser inferior a 0.01. De la siguiente tabla se desprende que la comparación de los datos experimentales de TPU y los resultados de la simulación de flujo en RWIND no cumplen con los requisitos.
| Superficie | q [%] para Wrel = 10 % | q [%] para Wrel = 20 % | e2 [1] |
| Barlovento | 27.3 | 72.7 | 0.035 |
| Lado Derecho | 0.0 | 9.1 | 0.114 |
| Lado Izquierdo | 27.3 | 45.5 | 0.121 |
| Sotavento | 0.0 | 0.0 | 0.118 |
En los siguientes gráficos, se comparan los coeficientes de presión del viento promedio obtenidos mediante la simulación RWIND 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, lado derecho, lado izquierdo y sotavento del edificio.
Los gráficos muestran muy buena concordancia en la superficie de barlovento. Los coeficientes de presión del viento son cruciales para las cargas del edificio, 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 se representan en base a 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.
