User Story
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 conception structurelle basé sur WTG-Merkblatt-M3.
Cette partie des résultats appartient au Groupe 1 selon la Figure 2.2 dans le WTG-Merkblatt-M3 :
- G2 : Valeurs absolues avec des exigences de précision moyenne. Le domaine d'application peut inclure des paramètres ou des études préliminaires lorsqu'il est prévu de procéder à des études ultérieures avec une précision plus élevée (par exemple, examen en soufflerie de classe G3).
- R2 : Venturaire, toutes les directions du vent pertinentes avec une résolution directionnelle suffisamment fine.
- Z1 : Valeurs moyennes statistiques, à condition qu'elles concernent des processus d'écoulement 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. Il est suffisant de représenter le modèle structurel avec le détail mécanique nécessaire, mais sans propriétés de masse et d'amortissement.
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 moyenne et d'intensité de turbulence 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 supposé est présenté dans l'Image 1 :
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.:
Table 1 : Données d'entrée du modèle rectangulaire 3D
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Vitesse de vent de référence | UH | 11 | m/s |
| Hauteur du toit | Href | 0.4 | m |
| Exposant du profil | α | 0.25 | - |
| Catégorie de terrain | - | IV | - |
| Densité de l'air – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m³ |
| Modèle de turbulence – RWIND | RANS K-Omega | - | - |
| Viscosité cinématique – RWIND | ν | 1.5×10⁻⁵ | m²/s |
| Ordre de schéma – RWIND | Second | - | - |
| Valeur cible résiduelle – RWIND | 10⁻⁴ | - | - |
| Type de résiduel – RWIND | Pression | - | - |
| Nombre minimum d'itérations – RWIND | 800 | - | - |
| Couche limite – RWIND | NL | 10 | - |
| Type de fonction murale – RWIND | Amélioré / Mélangé | - | - |
Étude du maillage informatique
L'image 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 l'indépendance du maillage à 55 %, ce qui signifie que plus de raffinement n'affecte plus significativement les résultats. L'image souligne l'importance de la qualité du maillage pour garantir des résultats de simulation du vent fiables.
De plus, l'étude du maillage informatique doit être réalisée selon le lien suivant :
L'image 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 accord très bon.
Exigence de précision WTG-Merkblatt
Le WTG-Merkblatt M3 fournit deux méthodes clés pour valider les résultats de simulation. La méthode Taux de Réussite évalue combien de valeurs simulées Pi correspondent correctement aux valeurs de référence Oi 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 dans la théorie de la fiabilité. En revanche, la méthode 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.
Résultats et Discussion
Le tableau 3 montre un très bon accord pour la métrique de validation entre les résultats RWIND et les données de référence WTG pour les valeurs de vitesse normalisées. Toutes les déviations sont dans une plage acceptable (inférieure à 10 %), alors le taux de réussite est obtenu q = 100 %, et lerreur 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
| WTG - u / uref | RWIND - u / uref | Déviation (%) | n |
|---|---|---|---|
| 0.394 | 0.390 | 1.045 | 1.00 |
| 0.478 | 0.473 | 1.093 | 1.00 |
| 0.566 | 0.564 | 0.291 | 1.00 |
| 0.629 | 0.629 | 0.081 | 1.00 |
| 0.675 | 0.674 | 0.183 | 1.00 |
| 0.713 | 0.712 | 0.072 | 1.00 |
| 0.750 | 0.753 | 0.422 | 1.00 |
| 0.784 | 0.783 | 0.098 | 1.00 |
| 0.822 | 0.819 | 0.362 | 1.00 |
| 0.869 | 0.865 | 0.463 | 1.00 |
| 0.897 | 0.901 | 0.496 | 1.00 |
| 0.939 | 0.940 | 0.113 | 1.00 |
| 1.010 | 1.005 | 0.493 | 1.00 |
| 1.065 | 1.070 | 0.540 | 1.00 |
| 1.123 | 1.124 | 0.044 | 1.00 |
| 1.161 | 1.162 | 0.121 | 1.00 |
| 1.195 | 1.195 | 0.051 | 1.00 |
| 1.237 | 1.240 | 0.263 | 1.00 |
| 1.266 | 1.270 | 0.291 | 1.00 |
| 1.299 | 1.302 | 0.223 | 1.00 |
L'image 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 codée 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 nombreuses sondes ponctuelles, 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 l'image 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 dans la 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 (Cx) 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 sous l'onglet Infos dans la boîte de dialogue Modifier les Données du Modèle.
L'image 5 montre les résultats de post-traitement d'une simulation de vent menée pour un immeuble de grande hauteur en utilisant le modèle de turbulence k-omega. Sur le côté droit 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, comparé à la référence WTG de 0.540, ce qui correspond à une déviation de 4.07%. La face arrière, qui est soumise à une pression négative en raison des effets de sillage, montre une déviation légèrement plus grande de 6.09%. Les surfaces latérales présentent également des différences mineures, avec des déviations allant de 3.68% à 5.38%. Notamment, le coefficient de force total dans la direction du vent représentant l'effet de traînée global montre seulement une déviation 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 la succion 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 surface de face de 0.04 m².
Le tableau 4 montre que RWIND reproduit exactement les coefficients de force moyenne de référence WTG sur toutes les surfaces, avec des déviations allant de 1.95% à 6.09% et q=100% comme taux de réussite. La faible erreur quadratique moyenne normalisée e2=0.0015 confirme un accord 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
| Coefficient de Force | Cf,moyenne – WTG | Cf – RWIND – k-omega | Déviation (%) | n |
|---|---|---|---|---|
| Face avant | 0.540 | 0.562 | 4.07 | 1.00 |
| Face arrière | –0.528 | –0.496 | 6.09 | 1.00 |
| Face droite | –0.829 | –0.860 | 3.68 | 1.00 |
| Face gauche | –0.847 | –0.893 | 5.38 | 1.00 |
| Force totale dans la direction du vent | 1.070 | 1.058 | 1.95 | 1.00 |
| Force totale dans la direction transversale au vent | 0.018 | 0.020 | 10.00 | 1.00 |
| Moment dans la direction du vent | 0.582 | 0.520 | 10.65 | 1.00 |
| Moment dans la direction transversale au vent | 0.010 | 0.0099 | 1.00 | 1.00 |
