RFEM e RWIND vengono utilizzati per generare un modello di struttura a membrana tensiva in modo che la simulazione del vento possa essere avviata, assieme all'implementazione di criteri importanti. RWIND è uno strumento potente per creare carichi del vento su strutture generali e forme complesse. Il solver CFD è un pacchetto software OpenFOAM® (versione 17.10), che fornisce risultati molto buoni ed è uno strumento ampiamente utilizzato per le simulazioni CFD. Il solver numerico è uno stato stazionario per flussi turbolenti incomprimibili, utilizzando l'algoritmo SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations).
I carichi del vento sono regolati da standard specifici, come EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7-16 o NBC 2015. RFEM è un software tecnico ben equipaggiato per creare strutture a membrana tensiva; considera l'analisi di ricerca di forma non lineare per superfici a doppia curvatura precompressa. L'Immagine 02 presenta un diagramma di flusso dell'aerodinamica numerica e la modellazione FEM per l'esecuzione di un esempio di verifica riguardante le strutture a membrana tensiva.
Per determinare equazioni differenziali parziali numericamente, tutte le espressioni differenziali (derivate spaziali e temporali) devono essere discretizzate. Esistono una vasta gamma di metodi di discretizzazione con approcci differenti in termini di accuratezza, stabilità e convergenza. Generalmente, l'ordine della discretizzazione illustra quanto sia precisa la simulazione numerica rispetto alle soluzioni delle equazioni originali non discretizzate. La discretizzazione numerica di primo ordine genera fondamentalmente una convergenza migliore rispetto allo schema di secondo ordine. Nel presente studio, viene utilizzata una discretizzazione di secondo ordine. Inoltre, quando si utilizza lo schema numerico di secondo ordine, si consiglia di aumentare il numero minimo di iterazioni per ottenere una migliore convergenza (Immagine 03).
Esempio di Verifica
Per verificare il processo di simulazione del vento, viene sviluppato un modello a doppia curvatura come mostrato in [1] [2], e i risultati sono analizzati. La scala del modello a leggera curvatura è selezionata come 1/25, la stessa del modello sperimentale nel riferimento [3], illustrando un tetto a iperboloide di 10 m per 10 m per 1,25 m. La leggera curvatura è considerata per verificare un esempio con angolo θ=45o. La forza di pretensione per la scala reale è stata applicata 2,5 kN/m sulla superficie, e le proprietà meccaniche come il modulo di Young e il coefficiente di Poisson sono definite come Ex=1000 kN/m. Ey=800 kN/m. Gxy=100 kN/m, vxy=0,20. L'Immagine 04 illustra la geometria del modello a doppia curvatura. Le informazioni di input e la velocità del vento di input per la simulazione CFD sono mostrate nell'Immagine 05.
Dimensione della Galleria del Vento
È importante notare che la dimensione della galleria del vento può produrre errori se la dimensione della galleria è più piccola del tipo standard. L'immagine seguente mostra una dimensione standard di una galleria del vento [3]. Inoltre, i risultati sono sensibili alle dimensioni della mesh, quindi il calcolo dovrebbe essere eseguito per almeno tre numeri di mesh diversi, e quando i risultati sono abbastanza vicini alla fase precedente, si ottiene l'indipendenza della griglia (Immagine 06).
Una vista laterale della generazione della mesh del modello è presentata nell'Immagine 07; come si può vedere, l'algoritmo di affinamento della mesh è impiegato a una distanza ravvicinata dalla superficie del modello.
Studio della Griglia Computazionale
I risultati nella simulazione CFD sono sensibili alla dimensione della mesh, quindi l'indipendenza della griglia dovrebbe essere eseguita per almeno tre numeri diversi di elementi della mesh. Qui sono riportati i risultati del valore di Cp sulla linea centrale del tetto; come si può vedere, ci sono differenze molto lievi che mostrano che i risultati della simulazione del vento diventano indipendenti dalla terza griglia (Immagine 08).
Funzione di Parete Mista
RWIND utilizza la Blended Wall Function (BWF), anche conosciuta come Enhanced Wall Function (EWF), che mostra prestazioni molto migliori rispetto alla Standard Wall Function (SWF). Pertanto, generalmente, puoi essere sicuro di ricevere risultati accurati per l'ampia gamma di numeri y+. La BWF non è una funzione simmetrica. Abbiamo una solida linea nera (come mostrato nell'immagine 09), che è la Simulazione Numerica Diretta (DNS) che stiamo cercando di riprodurre. Quello che puoi vedere immediatamente è che l'EWF è decisamente più vicina ai dati DNS rispetto alla SWF. Pertanto, nella regione di buffer tra un y+ di 5 e 30, l'EWF è decisamente più accurata rispetto alla SWF. Questo è il motivo per cui l'EWF è spesso raccomandata nelle simulazioni CFD [4]. Tuttavia, è importante sottolineare che RWIND non è destinato a investigazioni dettagliate dello strato limite che coinvolgono valori di y+ bassi. RWIND è progettato come una soluzione rapida, approssimativa e pratica adattata per ingegneri civili che potrebbero non avere una vasta esperienza in CFD e sono interessati a eseguire progetti industriali.
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Calcolo Y+
Il diagramma e il contorno della pressione media per i due modelli di turbolenza sono mostrati nelle Immagini 10 e 11. Basato sulla linea centrale del tetto a iperboloide, il diagramma della distribuzione di Cpe è tracciato e confrontato con il test sperimentale nella galleria del vento. Il valore di Cp può essere calcolato attraverso la seguente equazione, dove P è la pressione del vento al punto misurato, Pref la pressione di riferimento (pressione atmosferica), ρ è la densità dell'aria, e Uref la velocità di riferimento pari a 15,3 m/s.
Come mostrato qui, il modello di turbolenza K-omega mostra migliori prestazioni nella previsione del coefficiente di pressione del vento; nello studio attuale, il modello di turbolenza K-omega cattura gli effetti del distacco del vortice in pressioni del vento negative ad alto gradiente meglio dei modelli K-epsilon. Raccomandiamo di utilizzare questo modello di turbolenza come opzione più accurata nelle interazioni vento-struttura.
