User Story
Dans cet exemple, nous allons calculer le coefficient de pression du vent moyen (Cp), qui appartient au Groupe 2, selon la Figure 2.2 du WTG-Merkblatt-M3 :
- G2 : Valeurs absolues avec des exigences de précision moyennes. Le domaine d'application peut inclure des paramètres ou des études préliminaires lorsque des recherches ultérieures avec une précision plus élevée sont prévues (par exemple, examen en soufflerie de classe G3).
- R2 : Solitaire, toutes les directions de vent pertinentes avec une résolution directionnelle suffisamment fine.
- Z2 : Valeurs moyennes statistiques et écarts-types, à condition qu'elles impliquent des processus d'écoulement stationnaires, pour lesquels une vérification statistique des fluctuations avec un facteur de crête est suffisante.
- S1 : Effets statiques. Ils suffisent à représenter le modèle structurel avec le détail mécanique nécessaire, mais sans propriétés de masse et d'amortissement.
Description
Ce cas de vérification, basé sur le document du WTG allemand : Fiche technique du comité 3 - Simulation numérique des écoulements de vent, Chapitre 9.2 (voir références), compare les calculs de dynamique des fluides computationnelle des coefficients de pression du vent aux données expérimentales de la base de données aérodynamique de l'Université polytechnique de Tokyo (TPU) (voir références). L'analyse se concentre sur un modèle de bâtiment de grande hauteur (ratio 2:1:5). Les données du tunnel de vent à couche limite de la TPU – rigoureusement validées à travers des études évaluées par des pairs et accessibles publiquement via leur portail d'ingénierie du vent – fournissent des métriques de référence pour évaluer la précision de la modélisation de la turbulence et les effets de sensibilité de la grille. Les principaux paramètres de comparaison incluent les valeurs moyennes des coefficients de pression dans les zones critiques du bâtiment (face au vent, murs latéraux, régions de séparation sous le vent).
| Propriétés du fluide | Viscosité cinématique | ν | 1.500e-5 | m2/s |
| Densité | ρ | 1.250 | kg/m3 | |
| Tunnel de vent | Longueur | Dx | 2720.000 | m |
| Largeur | Dy | 900.000 | m | |
| Hauteur | Dz | 720.000 | m | |
| Bâtiment | Largeur | B | 80.000 | m |
| Profondeur | D | 40.000 | m | |
| Hauteur | H | 200.000 | m | |
| Paramètres de calcul | Vitesse de référence | uref | 22.000 | m/s |
| Hauteur de référence | zref | 10.000 | m | |
| Constante de von Kármán | κ | 0.410 | ||
| Constante de viscosité de turbulence | Cμ | 0.090 | ||
| Longueur de rugosité de surface aérodynamique | z0 | 1.000 | m |
Solution analytique
Aucune solution analytique n'est disponible. L'exemple fournit une comparaison des résultats de la simulation RWIND CFD et des données expérimentales (base de données aérodynamique TPU).
Le profil de vitesse du vent est calculé à partir de la loi de puissance selon la formule suivante :
où l'exposant de profil α est défini comme
L'intensité de la turbulence est tirée de la base de données aérodynamique de la TPU selon le graphique suivant pour α=0.25.
Paramètres de simulation RWIND
- Modélisé dans RWIND 3.04
- Type de simulation d'écoulement transitoire
- Densité de maillage à 20% avec raffinements : 5,698,702 cellules
- Modèle DDES de Spalart-Allmaras
- Condition limite d'entrée – profil de vitesse et profil d'intensité de la turbulence
- Fond du tunnel – condition limite sans glissement
- Murs du tunnel et plafond – condition limite glissante
- Condition limite de sortie – pression zéro ; gradient de vitesse nul
Exigence de précision WTG-Merkblatt M3
Le WTG-Merkblatt M3 fournit deux méthodes clés pour valider les résultats de simulation. La méthode du Taux de Réussite (q) évalue combien des valeurs simulées Pi correspondent correctement aux valeurs de référence Oi dans une tolérance définie, en utilisant une approche de classification binaire (réussite ou échec). Cette approche évalue la fiabilité de la simulation en calculant un taux de réussite q, semblable 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 précision plus détaillée en quantifiant la déviation carrée moyenne entre les valeurs simulées et de référence, normalisée pour tenir compte des différences d'échelle. Ensemble, ces méthodes fournissent des mesures qualitatives et quantitatives pour la validation de la simulation.
Résultats
Les valeurs souhaitées du paramètre de taux de réussite q sont supérieures à 90% et l'erreur quadratique moyenne relative doit être inférieure à 0.01. D'après le tableau suivant, il est clair que la comparaison des données expérimentales de la TPU avec les résultats de la simulation d'écoulement dans RWIND ne répond pas aux exigences.
| Surface | q [%] pour Wrel = 10% | q [%] pour Wrel = 20% | e2 [1] |
| Au vent | 27.3 | 72.7 | 0.035 |
| Côté droit | 0.0 | 9.1 | 0.114 |
| Côté gauche | 27.3 | 45.5 | 0.121 |
| Sous le vent | 0.0 | 0.0 | 0.118 |
Dans les graphiques suivants, les coefficients de pression du vent moyens obtenus par simulation RWIND sont comparés aux valeurs moyennes des séries temporelles des points de test mesurées via la base de données aérodynamique de la TPU. Les comparaisons sont effectuées sur les surfaces au vent, côté droit, côté gauche, et sous le vent du bâtiment.
Les graphiques montrent une très bonne concordance sur la surface au vent. Les coefficients de pression du vent sont cruciaux pour les charges de bâtiment, spécialement sur cette surface. Dans le cas des autres surfaces, une bonne concordance est observée entre la tendance des résultats de simulation et l'expérience.
Remarque : Les données expérimentales affichées dans les graphiques sont tracées sur la base de fichiers de données obtenus sur le site de la TPU. Cependant, les graphiques affichés sur le site de la TPU correspondent aux fichiers de données uniquement dans le cas de la surface au vent.
