La création d'un exemple de validation pour les simulations de mécanique des fluides numérique (CFD) dans les applications de l'ingénierie du vent implique plusieurs étapes spécifiques adaptées aux complexités du flux de vent et de ses interactions avec les structures et les environnements. Voici un tutoriel pas à pas :
1. Définition du problème de l'ingénierie éolienne
- Spécifiez clairement le scénario de vent que vous simulez, tel que le flux de vent autour de bâtiments, de ponts ou d'autres structures.
- Inclure des détails sur le terrain, les caractéristiques des couches limites atmosphériques et les facteurs environnementales pertinents.
2. Sélectionnez le cas de référence approprié
- Choisissez un projet d'ingénierie éolienne bien documenté avec des données expérimentales ou sur le terrain fiables. Il peut s'agir d'essais en soufflerie ou de mesures à l'échelle réelle.
- Ce cas doit être similaire à votre scénario en termes de géométrie, d'échelle et de conditions de vent.
Pour notre étude actuelle, l'article scientifique [1] du Journal of Wind Engineering est choisi comme cas de référence. Ce modèle est illustré sur la Figure 01 :
3. Développement du modèle CFD
- Géométrie de la structure : créez un modèle numérique de la structure et du terrain environnant. Pour les bâtiments, incluez les détails comme la forme, les caractéristiques de la façade et les structures proches.
- Maillage : Générez un maillage qui capture avec précision la géométrie, en mettant l'accent sur les zones où des gradients de flux élevés sont attendus, tels que les coins et les bords des structures.
- Conditions aux limites et initiales : définissez les conditions aux limites qui reflètent le profil du vent (vitesse et direction) à différentes hauteurs, variations de température et conditions de pression.
- Paramètres du solveur : sélectionnez les solveurs et modèles de turbulence appropriés (tels que k-ε ou simulation des grandes structures de la turbulence) qui se sont avérés performants dans la simulation des flux de vent.
Les hypothèses initiales sont considérées comme dans le Tableau 1.
| Tableau 1 : Rapport des dimensions et données d'entrée | |||
| Vitesse de référence du vent | V | 10,13 | m/s |
| Hauteur moyenne de la toiture | h | 6 | m |
| Dimension horizontale (distance de bord) | α | 6 | m |
| Angle de toiture | θtoiture | 0 | Degré |
| Densité de l'air - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| directions du vent | θVent | 0 | Degré |
| Modèle de turbulence - RWIND | État stable RANS k-ω SST | - | - |
| Viscosité cinématique (Équation 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Ordre du schéma - RWIND | 1er et 2 | - | - |
| Valeur résiduelle visée - RWIND | 10-4 | - | - |
| Type résiduel - RWIND | Pression | - | - |
| Nombre minimal d'itérations - RWIND | 800 | - | - |
| Couche limite - RWIND | NL | 10 | - |
| Type de fonction de voile - RWIND | Amélioré/lissé | - | - |
4. Exécuter la simulation
- Effectuez des simulations en considérant des analyses à l'état stationnaire et transitoires, car le flux de vent peut avoir des variations temporelles importantes.
- Assurez-vous que la simulation dure suffisamment longtemps pour saisir les dynamiques d'écoulement pertinentes autour des structures.
5. Processus de validation
- Comparer avec les données de référence : Contrainte des résultats de votre simulation avec les données du cas de référence, en se concentrant sur des paramètres tels que les profils de vitesse du vent, la distribution de pression sur les structures et l'intensité de la turbulence.
- Analyse des erreurs : effectuez une analyse numérique pour évaluer les écarts entre votre simulation et les données de référence.
- Analyse de sensibilité : Testez comment les modifications de la densité de maillage, des conditions aux limites et des modèles de turbulence affectent vos résultats.
Dans l'exemple actuel, l'analyse de sensibilité est affichée selon la Figure 02. Les résultats des forces de traînée totales sont étudiés pour quatre maillages différents. L’indépendance du maillage est obtenue à 1,6 millions de cellules.
6. Documentation
- Documentez en détail votre méthodologie, y compris les hypothèses, les conditions aux limites et tous les paramètres pertinents.
- Incluez une comparaison détaillée de vos résultats avec les données de référence, en mettant en évidence à la fois les accord et les écarts.
7. Raffinement itératif
- S'il y a des écarts importants par rapport aux données de référence, vous pouvez affiner votre modèle. Cela peut inclure un ajustement de la résolution du maillage, la modification des modèles de turbulence ou la modification des conditions aux limites.
- Répétez le processus de simulation et de validation jusqu'à ce que le modèle puisse prévoir de manière fiable le comportement du vent.
8. Considérations pour les applications en génie du vent
- Les simulations CFD de l'ingénierie éolienne doivent souvent prendre en compte des phénomènes complexes tels que le détachement de vortex, le frottement et les effets de sismicité.
- La topologie urbaine, les effets du terrain et les conditions de stabilité atmosphériques ont une influence considérable sur le flux de vent et doivent être inclus dans le modèle le cas échéant.
9. Résultats
Le diagramme de la valeur Cp moyenne à l'aide d'une simulation stationnaire est effectué pour la méthode de génération de maillage simplifiée et exacte dans RWIND ainsi que pour les première et deuxième méthodes du schéma numérique. Les résultats montrent un bon accord entre la méthode expérimentale et numérique en ce qui concerne la référence [1]. Les Figures 3 et 4 montrent les valeurs moyennes de Cp sur la ligne définie en direction verticale et horizontale.
10. Conclusion
Ce processus de validation est essentiel pour que votre modèle CFD représente avec précision les complexités du flux de vent dans les applications d'ingénierie. Cela augmente la confiance dans les résultats de la simulation, qui peuvent ensuite être utilisées pour les décisions de calcul, les évaluations de sécurité ou d'autres études de recherche. Vous pouvez télécharger le modèle de validation ici :
