Esta guía describe los pasos esenciales para desarrollar un ejemplo de validación para una simulación CFD, desde la selección de un escenario físico adecuado hasta el análisis y la comparación de los resultados. Siguiendo meticulosamente estos pasos, los ingenieros e investigadores pueden aumentar la credibilidad de sus modelos CFD, allanando el camino para su aplicación efectiva en diversos campos como la aerodinámica, la industria aeroespacial y los estudios ambientales.
La creación de un ejemplo de validación para simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) en aplicaciones de ingeniería del viento implica varios pasos específicos adaptados a las complejidades del flujo de viento y sus interacciones con estructuras y entornos. A continuación, se presenta una guía paso a paso:
1. Definición del problema de ingeniería del viento
- Especifique claramente el escenario de ingeniería del viento que está simulando, como el flujo de viento alrededor de edificios, puentes u otras estructuras.
- Incluya detalles sobre el terreno, las características de la capa límite atmosférica y cualquier factor ambiental relevante.
2. Selección del caso de referencia adecuado
- Elija un estudio de caso de ingeniería del viento bien documentado con datos experimentales o de campo fiables. Esto podría ser ensayos en túnel de viento o mediciones a escala real.
- El caso debe parecerse estrechamente a su escenario en términos de geometría, escala y condiciones de viento.
Para nuestro estudio actual, se elige como caso de referencia el artículo científico [1] de la Journal of Wind Engineering. El modelo se muestra en la Imagen 1:
3. Desarrollo del modelo CFD
- Geometría: Cree un modelo digital de la estructura y del terreno circundante. Para edificios, incluya detalles como la forma, las características de la fachada y las estructuras cercanas.
- Mallado: Genere una malla que capture la geometría con precisión, prestando especial atención a las zonas donde se esperan altos gradientes de flujo, como esquinas y bordes de las estructuras.
- Condiciones de contorno e iniciales: Defina condiciones de contorno que reflejen el perfil del viento (velocidad y dirección) a diferentes alturas, variaciones de temperatura y condiciones de presión.
- Configuración del solver: Seleccione solvers y modelos de turbulencia adecuados (como k-ε o Large Eddy Simulation) que se sabe que funcionan bien en simulaciones de ingeniería del viento.
Las hipótesis iniciales se consideran en la Tabla 1.
| Velocidad básica del viento | V | 10.13 | m/s |
| Altura de la cubierta | h | 6 | m |
| Dimensión horizontal | α | 6 | m |
| Ángulo de la cubierta | θroof | 0 | Grado |
| Densidad del aire – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Direcciones del viento | θwind | 0 | Grado |
| Modelo de turbulencia – RWIND | Steady-State RANS k-ω SST | - | - |
| Viscosidad cinemática (Ecuación 7.15, EN 1991-1-4) – RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Orden del esquema – RWIND | First and Second | - | - |
| Valor objetivo del residuo - RWIND | 10-4 | - | - |
| Tipo de residuo – RWIND | Pressure | - | - |
| Número mínimo de iteraciones – RWIND | 800 | - | - |
| Capa límite – RWIND | NL | 10 | - |
| Tipo de función de pared – RWIND | Standard | - | - |
4. Ejecución de la simulación
- Realice simulaciones considerando tanto análisis estacionarios como transitorios, ya que el flujo de viento puede presentar variaciones temporales significativas.
- Asegúrese de que la simulación se ejecute durante el tiempo suficiente para capturar la dinámica de flujo relevante alrededor de las estructuras.
5. Proceso de validación
- Comparación con datos de referencia: Contraste los resultados de su simulación con los datos del caso de referencia, centrándose en parámetros como perfiles de velocidad del viento, distribución de presiones sobre las estructuras e intensidad de turbulencia.
- Análisis de error: Realice un análisis cuantitativo para evaluar las discrepancias entre su simulación y los datos de referencia.
- Análisis de sensibilidad: Compruebe cómo los cambios en la densidad de malla, las condiciones de contorno y los modelos de turbulencia afectan a sus resultados.
Para el ejemplo actual, el análisis de sensibilidad se muestra según la Imagen 2. Se investigan los resultados de las fuerzas totales de arrastre para seis tamaños de malla diferentes. La independencia de malla se obtiene con 1,6 millones de celdas (Mesh #4). En CFD, un estudio de convergencia de la malla ayuda a encontrar el tamaño óptimo de malla (Mesh #4) en el que los resultados de la simulación (por ejemplo, la fuerza de arrastre) pasan a ser independientes de la malla. El uso de una malla excesivamente gruesa como Mesh #1 puede dar lugar a resultados inexactos, mientras que las mallas demasiado finas pueden introducir errores numéricos y aumentar el tiempo de cálculo, como se muestra en Mesh #6 en la Imagen 2.
Para identificar la malla óptima que garantice tanto la precisión como la independencia de la malla, se recomienda evaluar al menos tres tamaños de malla diferentes. Cuando los resultados se estabilizan con mallas más finas, la solución se considera fiable e independiente de la densidad de malla. También se recomienda revisar referencias importantes como ASCE 7-22 Chapter C31 - Wind Tunnel Procedure, Yeo, D. 2020 [2], y Roache [3].
6. Documentación
- Documente exhaustivamente su metodología, incluidas las hipótesis, las condiciones de contorno y todos los ajustes relevantes.
- Incluya una comparación detallada de sus resultados con los datos de referencia, destacando tanto las coincidencias como las discrepancias.
7. Refinamiento iterativo
- Si existen desviaciones significativas respecto a los datos de referencia, refine su modelo. Esto puede implicar ajustar la resolución de la malla, modificar los modelos de turbulencia o revisar las condiciones de contorno.
- Repita el proceso de simulación y validación hasta que el modelo prediga de forma fiable el comportamiento del flujo de viento.
8. Consideraciones para aplicaciones de ingeniería del viento
- Las simulaciones CFD de ingeniería del viento a menudo deben tener en cuenta fenómenos complejos como el desprendimiento de vórtices, el buffeting y los efectos de estela.
- La topología urbana, los efectos del terreno y las condiciones de estabilidad atmosférica pueden influir significativamente en el flujo de viento y deben incluirse en el modelo cuando sea pertinente.
9. Resultados
El diagrama del valor medio de Cp utilizando simulación estacionaria se realiza para los métodos de generación de malla simplificado y exacto en RWIND, así como para los métodos primero y segundo del esquema numérico. Los resultados muestran una buena concordancia entre los métodos experimentales y numéricos con respecto a la referencia [1]. Las Imágenes 3 y 4 muestran el valor medio de Cp a lo largo de una línea especificada en las direcciones vertical y horizontal.
10. Conclusión
Este proceso de validación es crucial para garantizar que su modelo CFD represente con precisión las complejidades del flujo de viento en aplicaciones de ingeniería. Ayuda a generar confianza en los resultados de la simulación, que luego pueden utilizarse para decisiones de diseño, evaluaciones de seguridad o estudios de investigación adicionales. El modelo de validación está disponible para descargar aquí:
