H.1.5.1. Groupe 1 : Coefficient de force et de moment

Histoire d’utilisateur

Dans cet exemple, nous allons calculer le coefficient moyen de force et de moment pour Université polytechnique de Tokyo (TPU) comme un exemple expérimental (M0/S0), tel que ceux applicables au processus de calcul de structure basé sur WTG-Merkblatt-M3.

Cette partie des résultats appartient au Groupe 1 selon la figure 2.2 de WTG-Merkblatt-M3 :

• G2 : valeurs absolues avec des exigences de précision moyenne. Le domaine d’application peut inclure des paramètres ou des études préliminaires lorsque des études ultérieures avec une précision plus élevée sont prévues (par exemple, essai en soufflerie de classe G3).
• R2 : isolées, toutes les directions du vent pertinentes avec une résolution directionnelle suffisamment fine.
• Z1 : valeurs moyennes statistiques, à condition qu’elles concernent des processus de flux stationnaires où les fluctuations (par exemple, dues à l’approche de la turbulence de l’écoulement) peuvent être capturées suffisamment par d’autres mesures.
• S1 : effets statiques. Représenter le modèle structurel avec le détail mécanique requis, mais sans propriétés de masse et d'amortissement, suffit.

Description

En étudiant le comportement aérodynamique à travers différents plans, cette comparaison vise à fournir une compréhension plus complète de la distribution des forces. De telles perspectives sont essentielles pour évaluer la stabilité globale du modèle, les performances aérodynamiques et la réponse structurelle dans des conditions d’écoulement. Les profils d’entrée de vitesse et d’intensité de turbulence moyennes reproduits dans la soufflerie correspondent à ceux de la catégorie de terrain IV selon la norme de l’Institut d’Architecture du Japon (AIJ). L’exposant de 0,25 cité dans certaines figures a été classé comme une erreur typographique lors d’une enquête. Le modèle présumé est présenté dans la figure 1 :

1 Modèle de RWIND de l’exemple de WTG - Partie 9.2

Les hypothèses sous-jacentes à l’analyse et aux simulations sont résumées dans le Tableau 1, fournissant une vue d’ensemble claire des paramètres et des conditions considérés tout au long de l’étude :

Tableau 1 : Données d’entrée du modèle rectangulaire 3D

Étude du maillage de calcul

LA figure 2 résume une étude de sensibilité du maillage, montrant que lorsque la densité du maillage augmente de 20 % à 55 %, le coefficient de force (Cf) augmente de 0,95 à 1,05 puis se stabilise. Cela indique que la simulation atteint une indépendance de maillage de 55 %, ce qui signifie qu’une augmentation du raffinement n’affecte plus significativement les résultats. L’image souligne l’importance de la qualité du maillage pour assurer la fiabilité des résultats de simulation des flux de vent.

2 Analyse de sensibilité du maillage

De plus, l’étude du maillage de calcul doit être réalisée selon l’article technique suivant :

• Étude de maillage numérique

La figure 3 présente un diagramme comparant les résultats de RWIND aux données expérimentales, concernant le tracé des profils de vitesse du vent normalisés selon la hauteur. Les résultats montrent un très bonne concordance.

3 Comparaison des profils de vitesse u/uref en fonction de la hauteur

Exigence de précision WTG-Merkblatt

WTG-Merkblatt M3 fournit deux méthodes clés pour valider les résultats de simulation. La méthode du taux de réussite évalue combien de valeurs simulées P_i correspondent correctement aux valeurs de référence O_i dans une tolérance définie, en utilisant une approche de classification binaire (succès ou échec). Cette approche évalue la fiabilité de la simulation en calculant un taux de réussite q, similaire aux fonctions de confiance utilisées en théorie de la fiabilité. En revanche, la méthode de l’erreur quadratique moyenne normalisée (e²) offre une évaluation de la précision plus détaillée en quantifiant l’écart quadratique moyen entre les valeurs simulées et de référence, normalisé pour tenir compte des différences d’échelle. Ensemble, ces méthodes fournissent des mesures qualitatives et quantitatives pour la validation des simulations.

• Validation des résultats de simulation à l’aide de la méthode du taux de réussite définie dans la WTG-Merkblatt M3

• Évaluation de la précision des résultats à l'aide de l'erreur quadratique moyenne normalisée définie dans la WTG-Merkblatt M3

Résultats et discussion

Le tableau 3 montre une très bonne concordance pour la métrique de validation entre les résultats RWIND et les données de référence WTG pour les valeurs de vitesse normalisées. Tous les écarts sont dans une plage acceptable (inférieure à 10 %), alors le taux de réussite de q = 100 % est obtenu, et l’erreur quadratique moyenne normalisée e² = 0,00001 est extrêmement faible. Ces résultats confirment que RWIND reproduit avec précision le profil de vent de référence et répond à des critères de validation stricts.

Table 3 : Métrique de validation pour le profil de vitesse

La figure 4 illustre comment les zones de surface sont définies dans RWIND pour calculer avec précision les coefficients de force sur chaque face d’un modèle de bâtiment exposé au vent. Le modèle 3D, avec une forme rectangulaire simple, a chaque face avant, arrière, gauche, droite et supérieure assignée à une zone distincte par couleur. Ces zones permettent à RWIND d’analyser et de calculer séparément les forces aérodynamiques et la distribution de pression indépendamment pour chaque surface. Au lieu de placer de nombreux relevés ponctuels, nous avons choisi de définir des zones de surface, car RWIND peut déterminer directement le coefficient de force pour chaque zone définie.

Au centre de la figure 4, la fenêtre « Modifier la zone » est ouverte pour la zone n° 2 – Avant en exemple. Cette sortie détaillée inclut des paramètres aérodynamiques clés. La surface projetée de cette zone en direction du vent est de 0,04 m². La force de traînée calculée sur cette surface est de 1,7 N, et le coefficient de force correspondant (C_x) est de 0,56. Dans la formule suivante, le coefficient de force du vent (coefficient de force aérodynamique) pour une zone de pression spécifique est calculé en exemple. Cette valeur peut ensuite être comparée à la valeur affichée dans l’onglet Info dans la boîte de dialogue Modifier les données du modèle.

4 Résultats pour différentes zones

La figure 5 montre les résultats de post-traitement d’une simulation des flux de vent menée pour un immeuble de grande hauteur à l’aide du modèle de turbulence k-omega. À droite de l’image, un tableau comparatif affiche les coefficients de force obtenus à partir de la simulation CFD aux valeurs de référence de la ligne directrice WTG. La face avant a un coefficient de force de 0,562, par rapport à la référence WTG de 0,540, ce qui correspond à un écart de 4,07 %. La face arrière, qui est soumise à une pression négative en raison des effets de sillage, présente un écart légèrement supérieur de 6,09 %. Les surfaces latérales présentent également des différences mineures, avec des écarts allant de 3,6 8% à 5,38 %. Notamment, le coefficient de force total dans la direction du vent représentant l’effet de traînée global présente seulement un écart de 1 95%, soulignant la précision et la fiabilité de la simulation CFD pour capturer le comportement aérodynamique global de la structure.

Les valeurs réelles de force en newtons pour chaque face du bâtiment sont affichées sous ce tableau. La face avant est soumise à une force de traînée positive de 1,7 N, tandis que les faces arrière, droite et gauche subissent des forces négatives dues à l’aspiration et à la traînée latérale. La force nette totale dans la direction du vent s’élève à 3,2 N, correspondant au résultat de la force globale indiqué dans le résumé du maillage. La simulation a utilisé une vitesse de vent de référence de 11 m/s et une aire de face de 0,04 m².

5 Comparaison des coefficients de force entre RWIND et WTG

Le tableau 4 montre que RWIND reproduit exactement les coefficients de force moyenne de référence WTG sur toutes les surfaces, avec des écarts allant de 1,95 % à 6,09 % et q=100 % comme taux de réussite. La faible erreur quadratique moyenne normalisée e2=0,0015 confirme une concordance solide entre la simulation et les mesures, répondant efficacement aux normes de validation.

Tableau 4 : Métrique de validation pour les coefficients de force moyenne entre WTG et RWIND

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Exemple de centrale éolienne - Partie 9.2