Introducción
En la ingeniería del viento, el modelado preciso y la validación exhaustiva son esenciales para mantener la estabilidad estructural y la eficiencia aerodinámica de las estructuras sensibles al viento, como las antenas (Imagen 1). Debido a su forma esbelta, baja masa y considerable altura, estas estructuras son particularmente susceptibles a las fuerzas del viento. Incluso vientos relativamente suaves pueden ejercer una presión sustancial debido a su alta relación superficie-área-masa. Asegurar la seguridad, estabilidad y funcionalidad a largo plazo de las antenas exige un diseño y análisis meticulosos. Para predecir con precisión los efectos inducidos por el viento, los ingenieros suelen confiar en pruebas en túneles de viento, simulaciones computacionales y mediciones in situ. La evaluación y mitigación efectivas son cruciales no solo para evitar fallos estructurales, sino también para asegurar un rendimiento ininterrumpido, especialmente en sistemas vitales de comunicación y 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 superar estos desafíos, es esencial validar rigurosamente los modelos computacionales para asegurar que sus predicciones reflejen el comportamiento del mundo real. Un ejemplo clave es la validación de simulaciones de carga de viento en antenas utilizando pruebas experimentales y simulación CFD. Este enfoque permite a los ingenieros ajustar los modelos, mejorar la precisión predictiva e incrementar la fiabilidad estructural de las antenas bajo 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 entre la academia y la industria puede llevar a técnicas de modelado más precisas y un mejor rendimiento 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 seis antenas de bordes afilados en RWIND, posicionadas sobre una superficie de rejilla que sirve como plano del suelo o suelo 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 desde el 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: Proporción Dimensional y Datos de Entrada | |||
| Velocidad del Viento | V | 10 | m/s |
| Altura | h | 0.5 | m |
| Espacio Inferior | Gap | 0.20 | m |
| Densidad del Aire - RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Direcciones del Viento | θwind | 0o a 360o con paso de 30o | Grado |
| Modelo de Turbulencia - RWIND | RANS k-ω SST Estacionario | - | - |
| Viscosidad Cinética - RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Orden del Esquema - RWIND | Segundo | - | - |
| Valor Objetivo de 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 / Mezclada | - | - |
| 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 fiabilidad de los resultados. Mientras una malla bien refinada mejora la precisión, un refinamiento excesivo aumenta 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 una mejor toma de decisiones con un uso práctico de los recursos. La tabla mostrada en la esquina inferior derecha compara diversas densidades de malla que van del 20% al 35% y sus correspondientes coeficientes de fuerza (Cf).
Para más información sobre el estudio de malla computacional:
Resultados y Discusión
La Imagen 4 presenta un análisis que compara los datos experimentales y los simulados relacionados con el coeficiente de fuerza del viento que actúa sobre la estructura compleja de la antena. En el centro de la imagen, un gráfico de líneas ilustra la variación del coeficiente de fuerza Cf en función de la dirección del viento θ, medida en grados desde 0∘ hasta 360∘. El eje vertical representa el coeficiente de fuerza Cf, que va de 0.0 a 1.0, y el eje horizontal representa las direcciones del viento incrementando en intervalos de 30 grados, desde 0∘ hasta 360∘. Dos conjuntos de datos se trazan en el gráfico: la línea negra con marcadores triangulares representa las mediciones experimentales, mientras la línea verde con marcadores circulares representa los resultados de la simulación obtenidos usando RWIND.
Para más información sobre cómo calcular el coeficiente de fuerza del viento en RWIND:
La Imagen 4 también ilustra que tanto los resultados experimentales como los de RWIND siguen una tendencia estrechamente alineada, reflejando un fuerte acuerdo entre ambos métodos. En general, el coeficiente de fuerza Cf muestra un patrón cíclico a medida que varía la dirección del viento, con mínimos claros que ocurren aproximadamente a 90∘ y 270∘, donde las fuerzas aerodinámicas son las más débiles. En cambio, los máximos son evidentes alrededor de 0∘, 150∘ y 210∘, indicando orientaciones en las que las seis estructuras de antenas de bordes afilados experimentan el impacto más significativo del viento. La estrecha correspondencia entre los datos experimentales y simulados confirma que RWIND replica eficazmente el comportamiento aerodinámico de la antena, manteniendo una desviación promedio de aproximadamente 5%.
Conclusión
En general, el presente estudio valida con éxito la simulación numérica del viento comparándola con datos experimentales para una estructura compuesta por seis antenas de bordes afilados. Los resultados demuestran que RWIND reproduce con precisión los hallazgos experimentales a lo largo de un rango completo de direcciones del viento, indicando su efectividad para predecir cargas de viento en estructuras delgadas y geométricamente complejas. La integración de datos del coeficiente de fuerza trazados, esquemas estructurales y visualización del campo de flujo CFD ofrece una presentación completa y coherente del enfoque del estudio y sus resultados clave.
Además, aquí está el ejemplo de la Universidad RWTH Aachen que ilustra los modelos de antena de uno y tres bordes afilados:
