Introducción
En el campo de la ingeniería del viento, la modelización y validación precisas son críticas para garantizar la integridad estructural y el rendimiento aerodinámico de diversas estructuras sensibles al viento, como antenas (Imagen 1). Estas estructuras, a menudo caracterizadas por su geometría esbelta, ligereza y altura considerable, son inherentemente vulnerables a las cargas de viento. Incluso condiciones de viento moderadas pueden imponer fuerzas significativas sobre tales elementos debido a su gran relación superficie-masa. Las antenas, en particular, requieren atención cuidadosa durante el proceso de diseño y análisis para asegurar su estabilidad, funcionalidad y seguridad a lo largo del tiempo. Pruebas en túnel de viento, simulaciones computacionales y mediciones de campo se emplean comúnmente para predecir con precisión las presiones del viento y las respuestas. Evaluaciones y estrategias de mitigación adecuadas son esenciales no solo para prevenir daños estructurales, sino también para mantener un rendimiento operativo continuo, especialmente en aplicaciones críticas de comunicación o monitoreo. En el ejemplo de validación actual, se investiga el coeficiente de fuerza tanto para la simulación CFD en RWIND como para el estudio experimental [1] de la Universidad RWTH Aachen.
Para abordar estos desafíos, se requiere una rigurosa validación de los modelos computacionales para garantizar que las predicciones teóricas se alineen con el rendimiento en el mundo real. Un ejemplo de ello es la validación de simulaciones de cargas de viento en antenas mediante pruebas experimentales y análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD). Este proceso permite a los ingenieros refinar sus modelos, mejorar su precisión y aumentar la fiabilidad general de las estructuras de antenas en diversas condiciones ambientales.
En colaboración con la Universidad RWTH Aachen, una institución líder en ingeniería y ciencias aplicadas, se realizan estudios prácticos sobre estructuras de antenas expuestas a cargas de viento. Al combinar enfoques teóricos con datos empíricos, la investigación busca cerrar la brecha entre la simulación y la realidad, contribuyendo al desarrollo de diseños de antenas más seguros y resilientes. Este estudio subraya la importancia de la validación en la ingeniería del viento, demostrando cómo la colaboración académico-industria puede conducir a técnicas de modelización más precisas y mejor desempeño estructural en aplicaciones del mundo real.
Descripción
En el ejemplo de validación actual, se investiga el coeficiente de fuerza tanto para la simulación CFD en RWIND como para el estudio experimental [1] de la Universidad RWTH Aachen. El modelo representa tres antenas de bordes afilados en RWIND, posicionadas sobre una superficie de rejilla que sirve como plano de tierra o piso del túnel de viento. El modelo incluye varias etiquetas dimensionales en magenta, indicando medidas específicas: la altura total de la antena es de 0.50 m; su base está elevada 0.20 m del suelo como se muestra en la imagen 2.
Datos de entrada y supuestos
El supuesto requerido de la simulación del viento se ilustra en la siguiente tabla:
| Tabla 1: Relación Dimensional y Datos de Entrada | |||
| Velocidad del Viento | V | 10 | m/s |
| Altura | h | 0.5 | m |
| Hueco Inferior | Hueco | 0.20 | m |
| Densidad del Aire - RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Direcciones del Viento | θviento | 0o a 360o con paso de 30o | Grados |
| Modelo de Turbulencia - RWIND | RANS Steady k-ω SST | - | - |
| Viscosidad Cinética - RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Orden de 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 | Mejorada / Mixta | - | - |
| Intensidad de Turbulencia | I | 3% | - |
Estudio de Malla Computacional
Un estudio de malla computacional es esencial en el análisis CFD porque afecta directamente la precisión y la fiabilidad de los resultados. Mientras que una malla bien refinada mejora precisión, un refinamiento excesivo incrementa el costo computacional sin mucho beneficio. Por lo tanto, los estudios de sensibilidad de malla ayudan a encontrar el equilibrio óptimo entre precisión y eficiencia, permitiendo mejor toma de decisiones con un uso práctico de recursos. La tabla mostrada en la esquina inferior derecha compara diversas densidades de malla que varían del 10% al 30% y sus correspondientes coeficientes de fuerza (Cf).
Más información sobre estudio de malla computacional:
Resultados y Discusión
La Imagen 4 presenta un análisis comparando datos experimentales y simulados relacionados con el coeficiente de fuerza del viento actuando sobre la estructura de la antena. En el centro de la imagen, un gráfico lineal ilustra la variación del coeficiente de fuerza Cf como función de la dirección del viento θ, medida en grados de 0∘ a 360∘. El eje vertical representa el coeficiente de fuerza Cf, que varía de 0.0 a 1.0, y el eje horizontal representa direcciones del viento en intervalos de 30 grados. Se trazan dos conjuntos de datos en el gráfico: la línea negra con marcadores triangulares representa mediciones experimentales, mientras que la línea verde con marcadores circulares representa los resultados de simulación obtenidos usando el RWIND.
Más información sobre cómo calcular el coeficiente de fuerza del viento en RWIND:
El gráfico muestra que tanto los resultados experimentales como los de RWIND siguen una tendencia similar, indicando un alto nivel de acuerdo entre ambos. En general, el coeficiente de fuerza exhibe un comportamiento periódico, con caídas notables en direcciones de viento de aproximadamente 60∘ y 180∘, donde los valores de Cf son más bajos. Se observan picos alrededor de 0∘, 120∘, 240∘ y 330∘, donde la estructura experimenta las fuerzas inducidas por el viento más altas. La estrecha alineación de las dos curvas ilustra que RWIND captura con precisión la respuesta aerodinámica de la estructura, con una desviación promedio reportada alrededor del 5% con respecto a los datos experimentales.
En general, el estudio actual investiga efectivamente el proceso de validar una simulación numérica de viento contra los resultados de un experimento físico. Muestra que RWIND se desempeña muy bien al replicar los datos experimentales a través de varias direcciones del viento, sugiriendo su idoneidad para predecir cargas de viento en estructuras verticales esbeltas como mástiles de antenas. La combinación de datos gráficos, visuales estructurales y simulación de campos de flujo proporciona una representación clara y completa de la metodología y resultados del estudio.
Además, el ejemplo de la antena de borde afilado único de la Universidad RWTH Aachen está aquí:
