Principes importants dans la simulation des flux de vent

Article technique sur le calcul de structure et l'utilisation des logiciels Dlubal

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Article technique

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RWIND 2 est un programme autonome de génération de charges de vent basé sur la CFD (Computational Fluid Dynamics). La simulation numérique du flux de vent est générée autour de n'importe quel bâtiment, y compris les types de géométrie irréguliers ou uniques, afin de déterminer les charges de vent sur les surfaces et les barres. RWIND 2 peut être intégré à RFEM/RSTAB pour le calcul de structure ou comme application autonome.

RFEM et RWIND permettent de générer un modèle de structure à membrane tendue afin de lancer la simulation du vent et de définir les critères importants. RWIND est un outil puissant pour créer des charges de vent sur les structures générales et les formes complexes. Le solveur CFD est un logiciel OpenFOAM® (version 17.10) qui donne de très bons résultats et est un outil largement utilisé pour les simulations CFD. Le solveur numérique utilise l'algorithme SIMPLE (méthode semi-implicite pour les équations liées à la pression) pour les écoulements incompressibles et turbulents.

Les charges de vent sont régies par des normes spécifiques, telles que l'EN 1991-1-4, l'ASCE/SEI 7-16 ou la NBC 2015. RFEM est un logiciel technique bien équipé pour la création de structures à membrane tendue ; il considère l'analyse de recherche de forme non linéaire pour les surfaces à double courbure précontraintes. L'image 02 présente un organigramme numérique et une modélisation par éléments finis pour effectuer un exemple de vérification concernant les structures à membrane tendue.

Afin de déterminer numériquement les équations aux dérivées partielles, toutes les expressions différentielles (dérivées spatiales et temporelles) doivent être discrétisées. Il existe un large éventail de méthodes de discrétisation avec différentes approches en termes de précision, de stabilité et de convergence. En règle générale, l'ordre de discrétisation illustre la précision de la simulation numérique par rapport aux solutions des équations originales non discrétisées. La discrétisation numérique du premier ordre génère fondamentalement une meilleure convergence que le schéma du second ordre. Dans la présente étude, la discrétisation du second ordre est utilisée. De plus, lorsque vous utilisez le schéma numérique du second ordre, nous recommandons d'augmenter le nombre maximal d'itérations pour obtenir une meilleure convergence (Figure 03).

Exemple de vérification :

Pour vérifier le processus de simulation du vent, un modèle à double courbure est développé comme indiqué dans [1] [2], et les résultats sont étudiés. L'échelle du modèle à courbe légère choisie est de 1/25, ce qui est identique au modèle expérimental dans la référence [1], illustrant une toiture en hypar de 10 m sur 10 m sur 1,25 m . La légère courbure est considérée pour vérifier un exemple avec un angle θ=45o . La force de prétension pour l'échelle réelle a été appliquée à 2,5 kN/m sur la surface, et les propriétés mécaniques telles que le module de Young' et le rapport de Poisson' sont définies comme Ex =1000 kN/m. Ey =800 kN/m. Gxy = 100 kN/m, vxy = 0,20. La Figure 04 illustre la géométrie du modèle à double courbure. Les informations d'entrée et la vitesse du vent pour la simulation CFD sont présentées dans la Figure 05.

Dimension de la soufflerie :

Il est important de noter que la dimension de la soufflerie peut produire des erreurs si la taille de la soufflerie est inférieure au type standard. L'image suivante montre une dimension standard d'une soufflerie [3]. De plus, les résultats sont sensibles aux tailles de maillage, le calcul doit donc être effectué pour au moins trois numéros de maille différents, et lorsque les résultats sont suffisamment proches de l'étape précédente, l'indépendance de la grille est obtenue (Figure 06).

Une vue latérale de la génération de maillage du modèle est présentée dans l'Image 07 ; comme on peut le voir, l'algorithme de raffinement de maillage est utilisé à faible distance de la surface du modèle.

Étude de grille de calcul :

Les résultats de la simulation CFD étant sensibles à la taille du maillage, l'indépendance de la grille doit être calculée pour au moins trois nombres différents d'éléments de maillage. Voici les résultats de la valeur Cp sur l'axe de la toiture ; Comme on peut le voir, de très légères différences montrent que les résultats de la simulation du vent deviennent indépendants de la troisième grille (Figure 08).

Fonction de mur améliorée :

RWIND utilise la fonction de paroi lissée (BWF), également connue sous le nom de fonction de paroi améliorée (EWF), qui affiche de bien meilleures performances que la fonction de paroi standard (SWF). Ainsi, vous pouvez généralement être sûr d'obtenir des résultats précis pour la large gamme de nombres y+. La fonction BWF n'est pas une fonction symétrique. Nous avons une ligne noire continue (comme le montre l'image 09), qui est la simulation numérique directe (DNS) que nous essayons de reproduire. Ce que vous pouvez voir tout de suite, c'est que l'EWF est nettement plus proche des données DNS que le SWF. Ainsi, dans la zone tampon entre a y+ de 5 et 30, l'EWF est nettement plus précis que le SWF. C'est pourquoi EWF est souvent recommandé dans les simulations CFD [4].

Le diagramme de pression moyenne et le contour pour les deux modèles de turbulence sont montrés dans les images 10 et 11. Le diagramme de distribution de Cpe est tracé et comparé à l'essai expérimental en soufflerie à partir de l'axe de la toiture hypar. La valeur de Cp peut être déterminée par l'équation suivante, où P est la pression du vent au point mesuré, Pref la pression de référence (pression atmosphérique), est la densité de l'air et Uref la vitesse de référence égale à 15,3 m/s.

Valeur cp

Cp=P-Pref12ρUref2

Comme indiqué ici, le modèle de turbulence K-oméga affiche de meilleures performances pour la prédiction du coefficient de pression du vent ; Dans la présente étude, le modèle de turbulence K-oméga capture mieux que les modèles K-epsilon les effets du tourbillonnement lors de vents négatifs à gradient élevé. Nous recommandons d'utiliser ce modèle de turbulence comme une option plus précise dans les interactions vent-structure.

Auteur

Mahyar Kazemian

Mahyar Kazemian

Ingénierie de produit

M. Kazemian est responsable de la fourniture des articles techniques, de l'ingénierie produit et du marketing pour Dlubal Software, en particulier RWIND 2.

Mots-clés

Simulation des flux de vent Charge de vent Calcul de la dynamique des fluides Structure à membrane tendue Mahyar Kazemian

Littérature

[1]   Colliers, J., et al., Prototyping of thin shell wind tunnel models to facilitate experimental wind load analysis on curved canopy structures. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2019. 188: p. 308-322.
[2]   Rizzo, F., et al., Wind action evaluation on tension roofs of hyperbolic paraboloid shape. Engineering structures, 2011. 33(2): p. 445-461.
[3]   Zhang, C., et al., Wind pressure coefficients for buildings with air curtains. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2020. 205: p. 104265.
[4]   What are Wall Functions and How do they work? https://www.youtube.com/watch?v=h5OiFpu0L4M

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  • Mis à jour 11 janvier 2023

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RWIND est un programme (soufflerie numérique) pour la simulation numérique des flux de vent autour de n'importe quelle géométrie de bâtiment avec détermination des charges de vent sur leurs surfaces. Il peut être utilisé comme une application autonome ou avec RFEM et RSTAB pour effectuer des calculs de structure complets.

Prix de la première licence
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Logiciels de calcul de structure pour l'analyse par éléments finis (MEF) de structures planes et spatiales composées de plaques, de voiles, de coques, de barres (poutres), de solides et d'éléments de contact.

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