Introducción
En la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), las condiciones de contorno (BC) desempeñan un papel crucial en la definición del comportamiento de los dominios de flujo. Al tratar simulaciones transitorias que varían en el tiempo, la definición de la condición de contorno de entrada se vuelve significativamente más compleja en comparación con las simulaciones en estado estacionario (Imagen 1). Esto se debe a que las BC de entrada transitorias involucran no solo la variación espacial (dos dimensiones en la superficie de entrada), sino también la dependencia temporal, lo que conduce a cantidades inherentemente grandes de datos. En particular, cuando se necesita caracterizar la turbulencia en la entrada, se requiere una resolución muy fina para capturar adecuadamente las fluctuaciones. Esta característica permite a los ingenieros introducir ráfagas realistas, turbulencia y fluctuaciones transitorias de entrada en simulaciones de viento. A diferencia de los métodos de estado estacionario, que solo capturan efectos medios del viento, TVIBC reproduce los rápidos cambios en la velocidad y la intensidad de la turbulencia observados durante tormentas, huracanes y eventos de viento extremos.
Concepto de Condición de Contorno de Entrada que Varía en el Tiempo
En un enfoque TVIBC, la velocidad de entrada no se prescribe simplemente como un perfil medio de viento. En su lugar, se modela como:
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Ū(z) |
Perfil de velocidad media en función de la altura z |
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u'(t,z) |
Componente oscilatoria |
Esta variación temporal asegura que el flujo entrante lleve estructuras de turbulencia realistas, ráfagas coherentes y espectros de energía similares a los observados en las capas límite atmosféricas (ABL).
Fuentes de Datos para las Condiciones de Contorno que Varían en el Tiempo
Se pueden emplear varios métodos para obtener datos para definir condiciones de contorno de entrada transitorias:
- Mediciones Experimentales
Importar directamente datos medidos de pruebas en túneles de viento o campañas de campo proporciona condiciones de entrada altamente realistas. Sin embargo, este método es intensivo en recursos y está limitado por la disponibilidad experimental.
- Generadores de Turbulencia Sintética
Los generadores numéricos de turbulencia pueden producir condiciones de entrada con características estadísticas prescritas. Este enfoque es flexible, pero puede no replicar perfectamente los espectros de turbulencia reales.
- Reutilización de Resultados de Simulaciones Transitorias (BC Periódica)
Los resultados de una simulación transitoria por separado pueden ser reciclados como condiciones de entrada para otro modelo CFD. Este enfoque periódico es particularmente eficiente y asegura la consistencia estadística de las estructuras turbulentas.
Más información e implementación:
Ventajas del Uso de Condiciones de Contorno de Entrada que Varían en el Tiempo sobre Condiciones de Entrada en Estado Estacionario
✅ Representación Realista de la Turbulencia
- Captura ráfagas transitorias, remolinos y espectros de turbulencia que afectan directamente a las fluctuaciones de presión en las superficies estructurales.
- Esencial para edificios altos, torres esbeltas, puentes y techos ligeros que son sensibles a las acciones dinámicas del viento.
✅ Mejora en las Predicciones de Carga
- Las entradas que varían en el tiempo permiten la estimación directa de factores de ráfaga, amplificación dinámica y presiones máximas, en lugar de depender de factores de corrección empíricos.
- Reduce la incertidumbre en valores críticos de diseño como corte en la base, momentos de vuelco y reacciones de soporte.
✅ Validación con Datos Experimentales
- Muchos estudios en túneles de viento demuestran que las estructuras experimentan cargas no estacionarias.
- Las simulaciones TVIBC muestran mejor acuerdo con experimentos en túneles de viento y mediciones de campo en comparación con métodos de entrada estacionaria.
✅ Compatibilidad con Normas y Directrices
- Los códigos modernos (por ejemplo, Eurocode EN 1991-1-4, ASCE 7-22, WTG-Merkblatt) enfatizan el papel de los efectos de ráfaga y turbulencia.
- TVIBC proporciona un camino computacional directo para incluir estos efectos, ayudando al cumplimiento de las expectativas de los ingenieros de aprobación.
Conclusión
La Condición de Contorno de Entrada que Varía en el Tiempo representa un paso significativo hacia adelante en la ingeniería del viento computacional. Al ir más allá de las suposiciones de estado estacionario, permite a los ingenieros capturar la naturaleza dinámica completa de la turbulencia atmosférica y sus efectos en las estructuras. Aunque es computacionalmente más costoso, la mejorada precisión y un mayor alineamiento con los datos experimentales hacen de TVIBC una herramienta esencial para proyectos críticos donde la seguridad, la operatividad y la aceptación de la aprobación dependen de predicciones realistas de cargas de viento.
