User Story
Dans cet exemple, nous allons calculer le coefficient de pression du vent moyen (Cp), appartenant au Groupe 2, selon la Figure 2.2 du WTG-Merkblatt-M3 :
- G2 : Valeurs absolues avec exigences de précision moyennes. Le domaine d'application peut inclure des paramètres ou des études préliminaires lorsque des investigations ultérieures de plus grande précision sont prévues (par exemple, essai 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'ils impliquent des processus d'écoulement stationnaires, pour lesquels une vérification statistique des fluctuations avec un facteur de pointe est suffisante.
- S1 : Effets statiques. Ils sont suffisants pour représenter le modèle structural avec le détail mécanique nécessaire, mais sans les 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 numérique 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 (rapport 2:1:5). Les données de la soufflerie à couche limite de la TPU – rigoureusement validées par des études évaluées par des pairs et accessibles au public via leur portail d'ingénierie du vent – fournissent des métriques de référence pour évaluer la précision du modèle de turbulence et les effets de sensibilité du maillage. Les paramètres clés de comparaison incluent les valeurs moyennes des coefficients de pression aux zones critiques du bâtiment (face au vent, parois latérales, régions de décollement sous le vent).
| Propriétés du fluide | Viscosité cinématique | ν | 1.500e-5 | m2/s |
| Masse volumique | ρ | 1.250 | kg/m3 | |
| Soufflerie | Longueur | Dx | 2720.000 | m |
| Largeur | Dy | 900.000 | m | |
| Hauteur | Dz | 720.000 | m | |
| Bâtiment | Largeur (Breadth) | 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 turbulente | Cμ | 0.090 | ||
| Longueur de rugosité aérodynamique | z0 | 1.000 | m |
Solution analytique
Aucune solution analytique n'est disponible. L'exemple fournit une comparaison des résultats de la simulation CFD RWIND 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 turbulence est tirée de la base de données aérodynamique de la TPU selon le graphique suivant pour α=0.25.
Paramètres de la simulation RWIND
- Modélisé dans RWIND 3.04
- Type de simulation d'écoulement transitoire
- La densité de maillage est de 20% avec des raffinements : 5 698 702 cellules
- Modèle Spalart-Allmaras DDES
- Condition limite d'entrée - profil de vitesse et profil d'intensité de turbulence
- Fond du tunnel - condition limite de non-glissement
- Parois et sommet du tunnel - condition limite de glissement
- Condition limite de sortie - pression nulle ; 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 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 de l'Erreur quadratique moyenne normalisée (e2) offre une évaluation plus détaillée de la précision 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 à la fois qualitatives et quantitatives pour la validation des simulations.
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 |
| Latérale droite | 0.0 | 9.1 | 0.114 |
| Latérale 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 au moyen de la simulation RWIND sont comparés aux valeurs moyennes des séries temporelles dans les points de test mesurés au moyen de la base de données aérodynamique de la TPU. Les comparaisons sont effectuées sur les surfaces au vent, latérale droite, latérale gauche et sous le vent du bâtiment.
Les graphiques montrent un très bon accord sur la surface au vent. Les coefficients de pression du vent sont cruciaux pour les charges du bâtiment, en particulier sur cette surface. Dans le cas des autres surfaces, un bon accord est observé entre la tendance des résultats de simulation et l'expérience.
Remarque : Les données expérimentales présentées dans les graphiques sont tracées sur la base des fichiers de données obtenus à partir du site Web de la TPU. Cependant, les graphiques présentés sur le site Web de la TPU ne correspondent aux fichiers de données que dans le cas de la surface au vent.
