Principios importantes en la simulación de viento

Artículo técnico sobre el tema del análisis de estructuras usando Dlubal Software

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Artículo técnico

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RWIND 2 es un programa para la generación de cargas de viento basado en CFD (Dinámica de Fluidos Computacional). La simulación numérica del flujo de viento se genera alrededor de cualquier edificio, incluidos los tipos de geometría irregular o única, para determinar las cargas de viento en las superficies y barras. RWIND 2 se puede integrar con RFEM/RSTAB para el análisis y dimensionamiento de estructuras o como una aplicación independiente.

RFEM y RWIND se utilizan para generar un modelo de estructura de membrana de tracción para que se pueda iniciar la simulación de viento, junto con la implementación de criterios importantes. RWIND es una potente herramienta para crear cargas de viento en estructuras generales y formas complicadas. CFD solver es un paquete de software OpenFOAM® (versión 17.10), que da muy buenos resultados y es una herramienta ampliamente utilizada para simulaciones CFD. El solucionador numérico es de estado estable para flujo turbulento incompresible, utilizando el algoritmo SIMPLE (Método semi-implícito para ecuaciones vinculadas a presión).

Las cargas de viento están reguladas por normas específicas, como EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7-16 o NBC 2015. RFEM es un software técnico bien equipado para la creación de estructuras de membranas tensadas; considera el análisis de búsqueda de forma no lineal para superficies de doble curvatura pretensados. La imagen 02 presenta un diagrama de flujo de aire numérico y un modelado FEM para realizar un ejemplo de verificación con respecto a las estructuras de membranas de tracción.

Para determinar numéricamente ecuaciones diferenciales parciales, es necesario discretizar todas las expresiones diferenciales (derivadas espaciales y temporales). Hay una amplia gama de métodos de discretización con diferentes enfoques en términos de precisión, estabilidad y convergencia. Generalmente, el orden de la discretización ilustra qué tan precisa es la simulación numérica cuando se compara con las soluciones de las ecuaciones originales no discretizadas. La discretización numérica de primer orden genera básicamente una mejor convergencia que el esquema de segundo orden. En el estudio actual, se utiliza la discretización de segundo orden. Además, al usar el esquema numérico de segundo orden, recomendamos aumentar el número máximo de iteraciones para lograr una mejor convergencia (Imagen 03).

Ejemplo de verificación:

Para verificar el proceso de simulación de viento, se desarrolla un modelo de doble curvatura como se muestra en Refer [1] Refer [2] , y se investigan los resultados. La escala del modelo de curva leve se selecciona como 1/25, que es la misma que el modelo experimental en la referencia Refer [1] , que ilustra una cubierta hypar de 10 m por 10 m por 1,25 m . La ligera curva se considera para verificar un ejemplo con un ángulo θ = 45o . La fuerza de pretensión para la escala real se aplicó 2,5 kN/m en la superficie, y las propiedades mecánicas como el módulo de Young 'y la relación de Poisson' se definen como Ex = 1000 kN/m. Ey = 800 kN/m. Gxy = 100 kN/m, vxy = 0,20. La imagen 04 ilustra la geometría del modelo de doble curvatura. La información de entrada y la entrada de velocidad del viento para la simulación CFD se muestran en la Imagen 05.

Dimensión del túnel de viento:

Es importante tener en cuenta que la dimensión del túnel de viento puede producir errores si el tamaño del túnel es menor que el tipo estándar. La siguiente imagen muestra una dimensión estándar de un túnel de viento Consulte [3] . Además, los resultados son sensibles a los tamaños de malla, por lo que el cálculo debe realizarse para al menos tres números de malla diferentes, y cuando los resultados se acercan lo suficiente a la etapa anterior, se logra la independencia de la rejilla (Imagen 06).

Una vista lateral de la generación de mallas del modelo se presenta en la Imagen 07; como se puede ver, el algoritmo de refinamiento de la malla se emplea a una distancia cercana a la superficie del modelo.

Estudio de rejilla computacional:

Los resultados en la simulación CFD son sensibles al tamaño de la malla, por lo que se debe realizar la independencia de la malla para al menos tres números diferentes de elementos de malla. Estos son los resultados del valor Cp en la línea central de la cubierta; como se puede ver, existen diferencias muy leves que muestran que los resultados de la simulación de viento se vuelven independientes de la tercera rejilla (Figura 08).

Función de pared mejorada:

RWIND usa la función de pared combinada (BWF), también conocida como función de pared mejorada (EWF), que muestra un rendimiento mucho mejor que la función de pared estándar (SWF). Por lo tanto, en general, puede estar seguro de que recibirá resultados precisos para la amplia gama de números y +. El BWF no es una función simétrica. Tenemos una línea negra continua (como se muestra en la imagen 09), que es la Simulación Numérica Directa (DNS) que estamos intentando reproducir. Lo que puede ver de inmediato es que el EWF está definitivamente mucho más cerca de los datos del DNS que el SWF. Por lo tanto, en la región del búfer entre ay + de 5 y 30, el EWF es definitivamente mucho más preciso en comparación con el SWF. Esta es la razón por la que EWF se recomienda a menudo en simulaciones de CFD Refer [4] .

El diagrama y el contorno de la presión media para los dos modelos de turbulencia se muestran en las imágenes 10 y 11. Sobre la base de la línea central de la cubierta hypar, se traza el diagrama de distribución de Cpe y se compara con la prueba experimental del túnel de viento. El valor de Cp se puede determinar mediante la siguiente ecuación, donde P es la presión del viento en el punto medido, Pref la presión de referencia (presión atmosférica), ρ es la densidad del aire y Uref la velocidad de referencia igual a 15,3 m/s.

Valor de Cp

Cp=P-Pref12ρUref2

Como se muestra aquí, el modelo de turbulencia K-omega muestra un mejor rendimiento en la predicción del coeficiente de presión del viento; En el estudio actual, el modelo de turbulencia de K-omega captura los efectos del desprendimiento de vórtices en la presión del viento negativa de alto gradiente mejor que los modelos de K-épsilon. Recomendamos usar este modelo de turbulencia como una opción más precisa en las interacciones viento-estructura.

Autor

Mahyar Kazemian

Mahyar Kazemian

Ingeniería de producto

Sr. Kazemian es responsable de proporcionar artículos técnicos, ingeniería de productos y marketing para Dlubal Software, especialmente RWIND 2.

Palabras clave

Simulación de viento Carga de viento Dinámica de fluidos computacional Estructuras con membranas tensadas Mahyar Kazemian

Referencia

[1]   Colliers, J., et al., Prototyping of thin shell wind tunnel models to facilitate experimental wind load analysis on curved canopy structures. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2019. 188: p. 308-322.
[2]   Rizzo, F., et al., Wind action evaluation on tension roofs of hyperbolic paraboloid shape. Engineering structures, 2011. 33(2): p. 445-461.
[3]   Zhang, C., et al., Wind pressure coefficients for buildings with air curtains. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2020. 205: p. 104265.
[4]   What are Wall Functions and How do they work? https://www.youtube.com/watch?v=h5OiFpu0L4M

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  • Actualizado 11. enero 2023

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RWIND es un programa para la simulación numérica de flujos de viento (túnel de viento digital) alrededor de cualquier geometría de estructura con la determinación de las cargas de viento en sus superficies. Se puede usar como una aplicación independiente o junto con RFEM y RSTAB para un análisis y diseño estructural completo.

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