Ejemplo de cómo realizar una validación en RWIND

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

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La creación de un ejemplo de validación para la dinámica de fluidos computacional (CFD) es un paso crítico para garantizar la precisión y fiabilidad de los resultados de la simulación. Este proceso implica la comparación de los resultados de las simulaciones de CFD con datos experimentales o analíticos de escenarios del mundo real. El objetivo es establecer que el modelo de CFD pueda replicar fielmente los fenómenos físicos que se pretende simular. Esta guía describe los pasos esenciales en el desarrollo de un ejemplo de validación para la simulación de CFD, desde la selección de un escenario físico adecuado hasta el análisis y comparación de los resultados. Al seguir meticulosamente estos pasos, los ingenieros e investigadores pueden mejorar la credibilidad de sus modelos de CFD, allanando el camino para su aplicación eficaz en diversos campos como la aerodinámica, la industria aeroespacial y los estudios medioambientales.

La creación de un ejemplo de validación para simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) en aplicaciones de ingeniería eólica implica varios pasos específicos adaptados a las complejidades del flujo de viento y sus interacciones con estructuras y entornos. Aquí'una guía paso a paso:

1. Definir el problema de la ingeniería del viento

  • Especifique claramente el escenario de ingeniería eólica 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. Seleccionar un caso de referencia apropiado

  • Elija un caso de estudio de ingeniería eólica bien documentado con datos experimentales o de campo fiables. Esto podría ser pruebas de túnel de viento o mediciones a escala real.
  • El caso debería parecerse mucho a su escenario en términos de geometría, escala y condiciones del viento.

Para nuestro estudio actual, se ha elegido el artículo científico [1] del Journal of Wind Engineering como caso de referencia. El modelo se muestra en la figura 01:

3. Desarrollo del modelo de CFD

  • Geometría: cree un modelo digital de la estructura y el 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 áreas donde se esperan grandes gradientes de flujo, como las esquinas y los bordes de las estructuras.
  • Condiciones de contorno e iniciales: establezca las condiciones de contorno que reflejen el perfil del viento (velocidad y dirección) a diferentes alturas, variaciones de temperatura y condiciones de presión.
  • Configuración del solucionador: seleccione los solucionadores y modelos de turbulencia adecuados (como k-ε o Simulación de grandes remolinos) que se sabe que funcionan bien en simulaciones de ingeniería de viento.

Los supuestos iniciales se consideran como en la Tabla 1.

Tabla 1: Relación de dimensiones y datos de entrada
Velocidad básica del viento V 10,13 m/s
Altura media de cubierta H 6 m
Dimensión horizontal (distancia al borde) α 6 m
Ángulo de cubierta θroof 0 Grados
Densidad del aire - RWIND ρ 1,25 kg/m3
Direcciones del viento θviento 0 Grados
Modelo de turbulencia - RWIND Estado estacionario 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 Primero y segundo -
Valor teórico residual - RWIND 10-4 -
Tipo residual - RWIND Presión -
Número mínimo de iteraciones - RWIND 800 -
Capa de contorno - RWIND NL 10
Tipo de función de muro - RWIND Mejorado / mezclado -

4. Ejecutar la simulación

  • Realice simulaciones considerando tanto análisis de estado estacionario como transitorios, ya que el flujo de viento puede tener variaciones temporales significativas.
  • Asegúrese de que la simulación se ejecute el tiempo suficiente para capturar la dinámica de flujo relevante alrededor de las estructuras.

5. Proceso de validación

  • Comparar con los datos de referencia: Contraste los resultados de su simulación con los datos del caso de referencia, centrándose en parámetros como los perfiles de velocidad del viento, la distribución de la presión en las estructuras y la intensidad de la turbulencia.
  • Análisis de errores: realice un análisis cuantitativo para evaluar las discrepancias entre su simulación y los datos de referencia.
  • Análisis de sensibilidad: pruebe cómo los cambios en la densidad de la 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 figura 02. Los resultados de las fuerzas de arrastre totales se investigan para cuatro mallas diferentes. La independencia de la malla se obtiene en 1,6 millones de celdas.

6. Documentación

  • Documente minuciosamente su metodología, incluyendo los supuestos, las condiciones de contorno y todas las configuraciones relevantes.
  • Incluya una comparación detallada de sus resultados con los datos de referencia, destacando tanto las coincidencias como las discrepancias.

7. Refinamiento iterativo

  • Si hay desviaciones significativas de los datos de referencia, refine su modelo. Esto podría implicar el ajuste de la resolución de la malla, la modificación de los modelos de turbulencia o la revisión de 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 eólica

  • Las simulaciones de CFD de ingeniería eólica a menudo necesitan tener en cuenta fenómenos complejos como el desprendimiento de vórtices, los golpes y los efectos de la estela.
  • La topología urbana, los efectos del terreno y las condiciones de estabilidad atmosférica pueden influir significativamente en el flujo de viento y se deben incluir en el modelo cuando sea relevante.

9. Resultados

El diagrama del valor medio de Cp utilizando la simulación estacionaria se realiza para el método de generación de malla simplificada y exacta en RWIND y también para el primer y segundo método del esquema numérico. Los resultados muestran una buena concordancia entre el método experimental y el numérico con respecto a la referencia [1]. La figura 3 y la figura 4 muestran el valor medio de Cp a través de la línea especificada en dirección vertical y horizontal.

10. Conclusión

Este proceso de validación es crucial para garantizar que su modelo de CFD represente con precisión las complejidades del flujo de viento en las aplicaciones de ingeniería. Ayuda a generar confianza en los resultados de la simulación, que luego se pueden utilizar para decisiones de diseño, evaluaciones de seguridad o estudios de investigación adicionales. El modelo de validación está disponible para descargar aquí:

Autor

Mahyar Kazemian, M.Sc.

Mahyar Kazemian, M.Sc.

Ingeniería de producto y marketing

El Sr. Kazemian es responsable del desarrollo de productos y la comercialización del software Dlubal, en particular del programa RWIND 2.

Referencia

[1]   Richards, P., R. Hoxey, and L. Short, Wind pressures on a 6 m cube. Journal of Wind engineering and industrial aerodynamics, 2001. 89(14-15): p. 1553-1564.

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