Generar confianza en CFD: validación, verificación y calibración para la aceptación de simulación de viento

Introducción

A medida que los métodos computacionales continúan evolucionando, la dinámica de fluidos computacional (CFD) se ha convertido en una alternativa prometedora o en un complemento a las pruebas en túneles de viento en la ingeniería de vientos estructurales. Sin embargo, para que el CFD gane aceptación generalizada entre ingenieros, autoridades y revisores, su fiabilidad debe garantizarse a través de rigurosos procedimientos de verificación y calibración. Este artículo describe los pasos clave y los principios detrás de estos procesos.

Según la Sección 1.5 de la EN 1991-1-4, las simulaciones numéricas pueden utilizarse como complemento a los cálculos y ensayos físicos en túneles de viento, siempre que se demuestre que están probadas y/o debidamente validadas. Esto permite a los ingenieros obtener información fiable sobre cargas y respuestas usando modelos precisos tanto de la estructura como del entorno natural del viento. De manera similar, ASCE 7-22, a través de la referencia a ASCE 49, reconoce que aunque el CFD se aplica cada vez más en la ingeniería de vientos, su uso debe controlarse cuidadosamente. Dado que actualmente no existe un estándar dedicado que detalle los procedimientos completos para CFD en este contexto, ASCE enfatiza que cualquier aplicación de CFD para determinar cargas de viento en el Sistema Principal de Resistencia a la Fuerza del Viento (MWFRS), Componentes y Revestimiento (C&C), u otras estructuras debe someterse a una revisión por pares y un estudio de Verificación y Validación (V&V) para asegurar la exactitud y fiabilidad de los resultados.

1. Por qué la Verificación y la Calibración son Necesarias

Las simulaciones de CFD son altamente sensibles a numerosos factores, incluyendo:

• Modelos de turbulencia

• Condiciones de contorno de entrada

• Calidad y resolución de la malla

• Configuraciones del solucionador y esquemas numéricos

Sin una verificación y calibración adecuadas, los resultados de CFD pueden parecer visualmente convincentes pero pueden ser engañosos o no conservadores en aplicaciones estructurales del mundo real. Tanto EN 1991-1-4 como ASCE 7-22 reconocen el potencial de los métodos numéricos, como el CFD, para determinar cargas de viento, siempre que estos métodos estén adecuadamente validados y verificados.

2. Verificación vs. Validación vs. Calibración: Definiciones

Es esencial distinguir entre estos términos, que comúnmente se utilizan en lugar de uno y otro:

• Verificación asegura que el modelo de CFD está resolviendo las ecuaciones correctamente (es decir, el código y la configuración numérica están libres de errores).

• Validación evalúa si el modelo representa con precisión el comportamiento físico del sistema del mundo real (típicamente a través de la comparación con datos de túneles de viento o a escala real).

• Cómo realizar un ejemplo de validación en RWIND

• Calibración implica ajustar los parámetros del modelo para que los resultados de CFD coincidan con datos conocidos o medidos.

3. Procedimiento de Verificación

La verificación implica verificar que:

• La malla está suficientemente refinada (estudio de sensibilidad de malla)

• El paso de tiempo y el esquema numérico son apropiados

• Las condiciones de contorno están implementadas correctamente

• El solucionador converge consistentemente

Esto incluye:

• Análisis del Índice de Convergencia de Malla (GCI)

• Monitoreo de residuales y verificaciones de estabilidad promedio en el tiempo

• Comparación de código a código (comparación con solucionadores confiables)

• Aplicación de cargas de viento en RWIND para un análisis estructural preciso

4. Validación con Datos Experimentales y Normas

El aspecto más crítico de la aceptación de CFD es la validación contra resultados de pruebas físicas, tales como:

• Mediciones en túneles de viento

• Monitoreo de campo a escala real (por ejemplo, tomas de presión, anemómetros)

Los pasos clave incluyen:

• Reproducir la configuración de la prueba: La geometría, la rugosidad del terreno y la turbulencia de entrada deben coincidir con el experimento.

• Comparación de cantidades de interés: Coeficientes de presión media y pico, coeficientes de fuerza/momento o características del campo de flujo.

• Análisis estadístico: Uso de error RMS, coeficientes de correlación o métricas de desviación normalizadas como:

• WTG Manual Examples

La validación debe ser específica de la estructura, especialmente para geometrías tanto típicas como inusuales como:

• Ejemplos de antenas en colaboración con la Universidad RWTH Aachen

• Modelo de validación de antena simple de bordes afilados de la Universidad RWTH de Aquisgrán

• Modelo de validación de antena de tres bordes afilados de la Universidad Técnica de Aquisgrán

• Modelo de validación de antena hexagonal de 6 lados de la Universidad RWTH de Aachen

• Validation Example of the Kathrein Antenna Model 80010804 in Collaboration with RWTH Aachen University

• Basado en formas típicas definidas en códigos de diseño (EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7, NBC 2020) y estudios experimentales (TPU, AIJ)

• Ejemplo de validación según normas (EN 1991-1-4, ASCE 7-22, etc.)

5. Estrategia de Calibración

Si existen pequeñas desviaciones después de la validación, se puede realizar una calibración ajustando:

• Intensidad y escalas de longitud de la turbulencia de entrada

• Constantes del modelo de turbulencia (con precaución)

• Rugosidad superficial y funciones de pared

Sin embargo, debe evitarse la sobre-calibración, ya que puede llevar a un modelo que esté adaptado a un caso pero no sea fiable en otros casos.

6. Documentación y Trazabilidad

Para que los resultados de CFD sean aceptados por las autoridades de construcción o los ingenieros certificadores, el proceso debe ser:

• Transparente: Todos los parámetros de entrada, configuraciones del solucionador y supuestos documentados

• Repetible: Otros expertos deben poder reproducir los resultados

• Rastreable: Los casos de validación deben estar vinculados a puntos de referencia publicados o referencias experimentales

7. Integración en el Flujo de Trabajo del Diseño Estructural

Finalmente, para que CFD sea aceptado en la determinación de cargas estructurales:

• Las salidas de CFD (por ejemplo, distribuciones de presión) deben transferirse a software FEM (por ejemplo, RFEM)

• Las combinaciones de cargas deben seguir combinaciones de diseño LRFD o EN

• Los datos de presión deben representar acciones del viento estadísticamente válidas (por ejemplo, período de retorno de 50 años)

Conclusión

CFD tiene un gran potencial para el futuro de la ingeniería de vientos, ofreciendo perspectivas rentables, flexibles y detalladas sobre el comportamiento aerodinámico. Sin embargo, su aceptación depende enteramente de una verificación disciplinada, una validación robusta y una calibración cuidadosa. Cuando se realizan de manera sistemática, CFD puede convertirse en un componente confiable de un enfoque de "diseño por análisis", respaldado por normas y prácticas de ingeniería de mejores prácticas.