Introduction
La prédiction précise des forces induites par le vent sur les structures d’antenne est un aspect critique du calcul de structures de télécommunications, en particulier pour les dispositifs haute fréquence et élancés comme l’antenne Kathrein 80010804. Dans cette étude, une validation complète des simulations des flux de vent basées selon la méthode CFD est réalisée pour la section de l’antenne en collaboration avec l’Université RWTH d'Aix-la-Chapelle. L’objectif est d’évaluer la fiabilité des résultats numériques générés par le logiciel RWIND Simulation en les comparant aux résultats des essais en soufflerie, y compris des essais internes et des données de référence publiées dans le mémoire de master de l’Université RWTH d'Aix-la-Chapelle [1] et les données techniques Catalogue Kathrein (Figures 1 et 2).
L'un des principaux défis du processus de validation est la sensibilité du comportement aérodynamique au nombre de Reynolds, notamment à de faibles angles d’attaque du vent (par exemple, 0° et 180°), où les phénomènes de séparation et de réattachement du flux dominent. La performance aérodynamique à ces orientations dépend fortement du régime de flux, de la rugosité de la surface et de l’échelle du modèle physique, ce qui entraîne des divergences entre les résultats CFD et les résultats expérimentaux.
Cette étude de validation ne sert pas seulement de benchmark pour RWIND, mais contribue également à affiner les meilleures pratiques pour simuler des géométries d’antenne complexes sous charge de vent. Les résultats soulignent l’importance de prendre en compte les effets de Reynolds, les conditions aux limites et la fidélité géométrique pour parvenir à une concordance significative avec les données expérimentales.
![Analyse des charges de vent sur les structures d’antennes : Simulation CFD combinée à des essais en soufflerie [1]](/fr/webimage/057701/4702092/Image.png?mw=760&hash=ec9a55cdca40d30b4481aa04757df3b01dc1fa64)
Description
Dans l’exemple de validation actuel, le coefficient de force pour la simulation CFD dans RWIND et l’étude expérimentale [1] de l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle est examiné. Le modèle représente la section transversale de l’antenne Kathrein 80010804 dans RWIND, positionné au-dessus d’une surface de grille qui sert de plancher ou de sol de soufflerie. Le modèle comprend plusieurs étiquettes de dimensions, indiquant des mesures spécifiques dans la figure 3. La hauteur totale de l’antenne est de 1,50 m et la largeur (b) est de 0,3 m ; sa base est à une hauteur de 0,20 m du sol comme le montre la figure 3. Il est important de noter que la surface de référence est supposée rester constante dans toutes les directions du vent, comme défini par la formule suivante :
Données d’entrée et hypothèses
L’hypothèse requise de la simulation de vent est illustrée dans le tableau suivant :
| Tableau 1 : Ratio dimensionnel et données d’entrée | |||
| Vitesse du vent | V | 14 - 41 | m/s |
| Hauteur | H | 1.5 | m |
| Écart inférieur | Écart | 0.20 | m |
| Densité de l’air - RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Directions du vent | θvent | 0o à 360o par pas de 30o | Degré |
| Modèle de turbulence - RWIND | RANS k-ω SST Stationnaire | - | - |
| Viscosité cinématique - RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Ordre du schéma - RWIND | Deuxième | - | - |
| Valeur cible résiduelle - RWIND | 10-4 | - | - |
| Type de résidu - RWIND | Pression | - | - |
| Nombre minimal d’itérations - RWIND | 800 | - | - |
| Couche limite - RWIND | NL | 10 | - |
| Type de fonction de voile - RWIND | Améliorée / Mélangée | - | - |
| Intensité de turbulence | I | 5% | - |
Étude de maillage de calcul
Une étude du maillage de calcul est essentielle en analyse CFD car elle affecte directement la précision et la fiabilité des résultats. Bien qu’un maillage bien raffiné améliore la précision, un raffinement excessif augmente la consommation de puissance de calcul sans grand bénéfice. C’est pourquoi les études de sensibilité du maillage aident à trouver l’équilibre optimal entre précision et efficacité, ce qui permet une meilleure prise de décision avec une utilisation pratique des ressources. Le tableau affiché dans le coin inférieur droit compare diverses densités de maillage allant de 15 % à 55 % et leurs coefficients de force correspondants (Cf) comme le montré la figure 4.
En savoir plus sur l’étude du maillage de calcul :
Résultats et discussion
La figure 5 compare le coefficient de force Cf à travers le modèle d’antenne, basé sur des mesures en soufflerie et des résultats RWIND à des vitesses de vent de 14 m/s et 41 m/s. Les deux simulations (14 m/s et 41 m/s) suivent la tendance expérimentale, ce qui confirme une sensibilité correcte à l'orientation du flux mais sous-prédit légèrement les valeurs de crête, avec des écarts de 10% et 12% respectivement. Le minimum de Cf se produit à 90∘ et 270∘, et le maximum à 180∘, reflétant l'exposition au vent. La visualisation CFD en médaillon illustre la séparation du flux, soutenant les résultats. Le nombre de Reynolds influence la séparation du flux, la turbulence et le décollement des tourbillons. Même de petites différences de Re entre CFD (à 14 m/s et 41 m/s) et la soufflerie peuvent provoquer des changements dans la distribution de pression, surtout aux sections de coins arrondis. RWIND peut ne pas reproduire complètement les effets de Reynolds en raison de la complexité physique. La comparaison met en évidence un accord raisonnable, avec de légers écarts dus aux effets du nombre de Reynolds.
Pour plus d'informations sur la façon de calculer le coefficient de force du vent dans RWIND :
Conclusion
Dans l'ensemble, la présente étude valide la simulation numérique des flux de vent pour la section de l’antenne Kathrein 80010804 en comparant les résultats de RWIND avec les données expérimentales obtenues en collaboration avec l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle. La comparaison confirme que RWIND capture de manière fiable le coefficient de force aérodynamique de l'antenne à coins arrondis dans toutes les directions du vent, démontrant sa capacité à simuler les charges de vent sur des géométries fines et courbées. L'accord raisonnable entre les coefficients de force simulés et mesurés souligne la précision du modèle.
De plus, voici l’exemple de l'Université RWTH qui illustre les modèles d’antenne à un bord vif et trois bords vifs :
