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2020-02-19

Carichi del vento su un edificio alto

Il seguente studio confronta la pressione del vento su un edificio alto ottenuta da RWIND Simulation con i risultati pubblicati da Dagnew et al.all'11a conferenza americana sull'ingegneria eolica nel giugno 2009. In questo articolo, l'edificio del Commonwealth Advisory Aeronautical Council (CAARC) viene utilizzato come un modello e i risultati di diversi metodi numerici vengono confrontati con i dati sperimentali ottenuti dalle gallerie del vento.

Il programma RWIND Simulation è progettato principalmente per calcolare rapidamente i risultati anche per modelli relativamente complessi e di grandi dimensioni. Le impostazioni predefinite sono state utilizzate per un calcolo rapido, che successivamente ha richiesto solo 5 minuti su un PC standard. I risultati ottenuti sono in accordo relativamente stretto con quelli pubblicati nel precedente articolo [1] e sono discussi più dettagliatamente di seguito.

Dominio computazionale e mesh

L'edificio CAARC è una forma prismatica rettangolare con dimensioni di 150 piedi per 100 piedi per 600 piedi di altezza. Le dimensioni della galleria del vento sono 1.500 m in direzione del flusso, 900 m in direzione della campata e l'altezza totale è pari a 300 m.

La mesh del volume finito è stata affinata localmente vicino al modello dell'edificio con il numero totale di celle della mesh a 540.180. Sebbene RWIND Simulation consenta calcoli su mesh significativamente più sottili (fino a 50 milioni di celle), per un calcolo rapido è stata selezionata una mesh relativamente ruvida.

Impostazione della simulazione

I parametri di simulazione e il profilo della velocità del vento in ingresso sono definiti secondo Dagnew et al. [1] e vengono visualizzati nella figura 2.

Le condizioni al contorno del modello sono descritte nella Tabella 1.

ParametriFaccie in alto, a sinistra e a destraIngressoUscitaPareti dell'edificio e terreno
VelocitàscorrimentoProfilo della velocità del ventoGradiente zero0 m/s
StampaGradiente zero0 PaGradiente zeroGradiente zero
intensità di turbolenza-0.15%--

È stato utilizzato un modello di turbolenza k-epsilon e l'intensità della turbolenza in ingresso è stata impostata allo 0.15 %.

Calcolo stazionario

Il calcolo è stato eseguito con RWIND Simulation Solver, che è relativo alla famiglia di solutori OpenFOAM-SIMPLE. È un solutore in stato stazionario per flussi incomprimibili e turbolenti. L'intera simulazione, inclusa la generazione della mesh e la preparazione dei risultati, è stata completata in 5 minuti su un PC con 8 core (Intel i9-9900K). Il criterio di convergenza della pressione residua è stato impostato su 0,001, che è il valore standard per il calcolo più rapido, ed è stato ottenuto dopo 350 iterazioni. La pressione residua minima è 0,0001 e potrebbe essere raggiunta dopo 700 iterazioni mentre si continua il calcolo. Tuttavia, i risultati non sono stati influenzati significativamente.

L'immagine da 05 a 07 mostra la distribuzione della pressione sulla superficie dell'edificio e il campo di velocità. A scopo di convalida e confronto, il coefficiente di pressione calcolato cp viene confrontato con i dati ottenuti da [1] nell'immagine 9 fino all'immagine 11. Il coefficiente cp si calcola nel modo seguente:


I risultati di RWIND Simulation e i risultati sperimentali secondo Dagnew et al. [1] sulla parete sopravvento sono in stretto confronto. Sulla parete laterale e sulle facce sottovento, si osservano differenze del 10% - 20% tra i dati misurati e calcolati, che può essere spiegato dal modello di turbolenza (k-epsilon) utilizzato e dalla mesh computazionale grossolana. La precisione del risultato può essere migliorata utilizzando modelli di turbolenza più accurati (LES), che sarà disponibile nelle versioni future di RWIND Simulation.

Risultati di RWIND Simulation:

Confronto con i dati e i risultati pubblicati in [1] :

Per spiegare il diagramma precedente, si può aggiungere che l'unità dell'asse delle ascisse x '/Dx risulta dalla coordinata x effettivamente esistente da RWIND e dall'interasse da RWIND, che è 100 ft.

Calcolo transitorio

Per strutture alte e snelle, è utile simulare un flusso transitorio (instabile) al fine di considerare i possibili danni causati dalla dispersione dei vortici. RWIND 2 utilizza il "BlueDySolver" per la simulazione di flussi instabili, che è stato sviluppato dal solutore OpenFOAM® standard "PimpleFoam". Nell'ambito di questa simulazione, sono state create 91 animazioni di flusso in un tempo di simulazione di 1200 secondi con un intervallo di tempo di 12 secondi. Il programma offre la possibilità di modificare questi intervalli di tempo automaticamente e di livellare il flusso tra due intervalli di tempo mediante interpolazione lineare in modo tale che un'animazione coerente del flusso possa essere visualizzata durante l'intero tempo di simulazione. Le seguenti animazioni mostrano la distribuzione della pressione sulla superficie dell'edificio e la distribuzione della velocità attorno all'edificio, che sono state ottenute con l'aiuto del calcolo del transitorio.

Per confrontare i risultati del calcolo transitorio con quelli del calcolo stazionario o quelli di Dagnew et al. [1] , per questa simulazione è stato determinato anche il coefficiente di pressione cp per il percorso di valutazione mostrato nella Figura 08. Il diagramma seguente mostra tutti i risultati.

Anche i risultati del calcolo transitorio sulla superficie sopravento concordano molto bene con i risultati del calcolo stazionario e con i dati sperimentali in galleria del vento di Dagnew et al. [1]. Alla superficie sottovento, i risultati del flusso transitorio, simili a quelli del flusso stazionario, deviano di ca. Dal 10 al 20% dai dati misurati. Le deviazioni dei risultati transitori dagli altri risultati sono leggermente maggiori sulle superfici laterali. Da un lato, ciò può essere attribuito al fatto che il software RWIND Simulation utilizza un solutore diverso per il calcolo transitorio rispetto alla simulazione stazionaria e, dall'altro, al continuo sviluppo e miglioramento del software. Questo confronto mostra anche che il modello di turbolenza K-Omega fornisce un maggiore accordo con i risultati sperimentali rispetto al modello di turbolenza K-Epsilon. Inoltre, la simulazione stazionaria è stata ampliata per includere un calcolo del secondo ordine. Questi risultati sono mostrati anche nel diagramma precedente, ma differiscono solo leggermente da quelli del primo ordine.


Autore

Il Sig. Niemeier è responsabile dello sviluppo di RFEM, RSTAB, RWIND Simulation e nel settore delle strutture a membrana. È anche responsabile del controllo qualità e dell'assistenza clienti.

Link
Bibliografia
  1. Dagnew, A. K.; Bitsuamalk, G. T ; Merrick, R.: Computational evaluation of wind pressures on tall buildings. 11th Americas Conference on Wind Engineering | International Association for Wind Engineering, 2009
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