Introducción
La predicción precisa de las fuerzas inducidas por el viento sobre estructuras de antenas es un aspecto crítico de la ingeniería estructural y de telecomunicaciones, particularmente para dispositivos delgados de alta frecuencia como la antena Kathrein 80010804. En este estudio, se lleva a cabo una validación completa de simulaciones de viento basadas en CFD para la sección transversal de la antena en colaboración con la Universidad RWTH Aachen. El objetivo es evaluar la fiabilidad de los resultados numéricos generados por el software RWIND Simulation comparándolos con mediciones en túneles de viento, incluyendo tanto pruebas internas como datos de referencia publicados en la tesis de maestría de la Universidad RWTH Aachen [1] y en la Catálogo Kathrein técnica (Imágenes 1 y 2).
Uno de los desafíos clave en el proceso de validación es la sensibilidad del comportamiento aerodinámico al número de Reynolds, particularmente en ángulos bajos de ataque de viento (por ejemplo, 0° y 180°), donde dominan los fenómenos de separación y reanudación del flujo. El rendimiento aerodinámico en estas orientaciones depende en gran medida del régimen de flujo, la rugosidad de la superficie y la escala del modelo físico, lo que lleva a discrepancias entre los resultados de CFD y los hallazgos experimentales.
Este estudio de validación no solo sirve para establecer puntos de referencia para RWIND, sino que también contribuye a refinar las mejores prácticas para simular geometrías complejas de antenas bajo carga de viento. Los hallazgos subrayan la importancia de tener en cuenta los efectos de Reynolds, las condiciones de contorno y la fidelidad geométrica para lograr una concordancia significativa con los datos experimentales.
![Simulación CFD para el análisis de cargas de viento en estructuras de antenas: validación mediante pruebas en túnel de viento [1]](/es/webimage/057701/4702092/Image.png?mw=760&hash=ec9a55cdca40d30b4481aa04757df3b01dc1fa64)
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 la Sección Transversal de la Antena Kathrein 80010804 en RWIND, posicionada sobre una superficie de rejilla que sirve como plano de tierra o suelo del túnel de viento. El modelo incluye varias etiquetas dimensionales que indican medidas específicas en la Imagen 3. La altura total de la antena es de 1.50 m y el ancho (b) es de 0.3 m; su base está elevada 0.20 m del suelo como se muestra en la Imagen 3. Es importante tener en cuenta que se supone que el área de referencia permanece constante en todas las direcciones del viento, como lo define la siguiente fórmula:
Datos de Entrada y Supuestos
El supuesto requerido de la simulación de viento se ilustra en la siguiente tabla:
| Tabla 1: Relación Dimensional y Datos de Entrada | |||
| Velocidad del Viento | V | 14 - 41 | m/s |
| Altura | H | 1.5 | m |
| Hueco 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 | Grados |
| Modelo de Turbulencia - RWIND | RANS estacionario k-ω SST | - | - |
| Viscosidad Cinemática - 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 Limite - RWIND | NL | 10 | - |
| Tipo de Función de Pared - RWIND | Mejorada / Mezclada | - | - |
| Intensidad de Turbulencia | I | 5% | - |
Estudio de Malla Computacional
Un estudio de la malla computacional es esencial en el análisis CFD porque afecta directamente la precisión y fiabilidad de los resultados. Si bien 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 la malla ayudan a encontrar el equilibrio óptimo entre precisión y eficiencia, permitiendo una mejor toma de decisiones con un uso práctico de recursos. La tabla mostrada en la esquina inferior derecha compara varias densidades de malla que van del 15% al 55% y sus correspondientes coeficientes de fuerza (Cf) como se muestra en la Imagen 4.
Para obtener más información sobre el estudio de malla computacional:
Resultados y Discusión
La Imagen 5 compara el coeficiente de fuerza Cf a través del modelo de antena, basado en mediciones en túneles de viento y resultados de RWIND a velocidades de viento de 14 m/s y 41 m/s. Ambas simulaciones (14 m/s y 41 m/s) siguen la tendencia experimental, lo que confirma una sensibilidad correcta a la orientación del flujo, pero subestiman ligeramente los valores máximos, con desviaciones del 10% y 12%, respectivamente. El Cf mínimo ocurre a 90∘ y 270∘, y el máximo a 180∘, reflejando la exposición al viento. La visualización insertada de CFD ilustra la separación del flujo, apoyando los resultados. El número de Reynolds influye en la separación del flujo, la turbulencia y la formación de vórtices. Incluso pequeñas diferencias en Re entre CFD (a 14 m/s y 41 m/s) y el túnel de viento pueden causar cambios en la distribución de presión, especialmente en secciones de esquinas redondeadas. RWIND puede no reproducir completamente los efectos de Reynolds debido a la complejidad física. La comparación destaca un acuerdo razonable, con desviaciones menores debido a los efectos del número de Reynolds.
Para más información sobre cómo calcular el coeficiente de fuerza del viento en RWIND:
Conclusión
En general, el presente estudio valida la simulación numérica de viento para la sección transversal de la antena Kathrein 80010804 comparando los resultados de RWIND con datos experimentales proporcionados en colaboración con la Universidad RWTH Aachen. La comparación confirma que RWIND captura de manera fiable el coeficiente de fuerza aerodinámica de la antena de esquinas redondeadas en todas las direcciones del viento, demostrando su capacidad para simular cargas de viento en geometrías delgadas y curvadas. El acuerdo razonable entre los coeficientes de fuerza simulados y medidos subraya la precisión del modelo.
Además, aquí está el ejemplo de la Universidad RWTH Aachen que ilustra los modelos de antenas con un filo y tres filos afilados:
