Principi importanti nella simulazione del vento

Articolo tecnico sul tema Analisi strutturale con Dlubal Software

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RWIND 2 è un programma per la generazione di carichi del vento basati sulla CFD (Fluidodinamica computazionale). La simulazione numerica del flusso del vento viene generata attorno a qualsiasi edificio, compresi i tipi di geometria irregolare o unica, per determinare i carichi del vento sulle superfici e sulle aste. RWIND 2 può essere integrato con RFEM/RSTAB per l'analisi strutturale e la verifica o come applicazione stand-alone.

RFEM e RWIND sono usati per generare un modello di tensostruttura della membrana in modo che possa essere avviata la simulazione del vento, insieme all'implementazione di criteri importanti. RWIND è un potente strumento per creare carichi del vento su strutture generali e forme complicate. Il risolutore CFD è un pacchetto software OpenFOAM® (versione 17.10), che fornisce ottimi risultati ed è uno strumento ampiamente utilizzato per le simulazioni CFD. Il solutore numerico è stazionario per flussi incomprimibili e turbolenti, utilizzando l'algoritmo SIMPLE (Metodo semi-implicito per equazioni collegate alla pressione).

I carichi del vento sono regolati da norme specifiche, come EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7-16 o NBC 2015. RFEM è un software tecnico ben attrezzato per la creazione di tensostrutture a membrana; considera l'analisi di verifica della forma non lineare per le superfici precompresse a doppia curvatura. L'immagine 02 presenta un diagramma di flusso numerico del flusso d'aria e una modellazione FEM per l'esecuzione di un esempio di verifica riguardante le tensostrutture della membrana.

Per determinare numericamente le equazioni alle derivate parziali, tutte le espressioni differenziali (derivate spaziali e temporali) devono essere discretizzate. Esiste un'ampia gamma di metodi di discretizzazione con approcci diversi in termini di accuratezza, stabilità e convergenza. In generale, l'ordine della discretizzazione illustra quanto sia accurata la simulazione numerica rispetto alle soluzioni delle equazioni non discretizzate originali. La discretizzazione numerica del primo ordine genera sostanzialmente una migliore convergenza rispetto allo schema del secondo ordine. Nel presente studio, viene utilizzata la discretizzazione del secondo ordine. Inoltre, quando si utilizza lo schema numerico del secondo ordine, si consiglia di aumentare il numero massimo di iterazioni per ottenere una migliore convergenza (Immagine 03).

Esempio di verifica:

Per verificare il processo per la simulazione del vento, è stato sviluppato un modello a doppia curvatura come mostrato in [1] [2], e i risultati sono stati studiati. La scala del modello a curva leggera è selezionata come 1/25, che è la stessa del modello sperimentale nel riferimento [1], che illustra una copertura hypar 10 m per 10 m per 1,25 m . La curva leggera è considerata per la verifica di un esempio con un angolo θ=45o . La forza di pretensione per la scala reale è stata applicata sulla superficie di 2,5 kN/m e le proprietà meccaniche come il modulo di Young's e il rapporto di Poisson's 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 l'input della velocità del vento 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 inferiore al tipo standard. L'immagine seguente mostra una dimensione standard di una galleria del vento [3]. Inoltre, i risultati sono sensibili alle dimensioni delle mesh, quindi il calcolo dovrebbe essere eseguito per almeno tre diversi numeri di mesh 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 computazionale della griglia:

I risultati nella simulazione CFD sono sensibili alla dimensione della mesh, quindi l'indipendenza dalla griglia dovrebbe essere eseguita per almeno tre diversi numeri di elementi della mesh. Ecco i risultati del valore Cp sulla linea centrale del tetto; come si può vedere, ci sono lievissime differenze che mostrano che i risultati della simulazione del vento sono diventati indipendenti dalla terza griglia (Figura 08).

Funzione parete migliorata:

RWIND utilizza la Blended Wall Function (BWF), nota anche come Enhanced Wall Function (EWF), che mostra prestazioni molto migliori rispetto alla Standard Wall Function (SWF). Pertanto, in generale, puoi essere certo che riceverai risultati accurati per l'ampio intervallo di numeri y+. Il BWF non è una funzione simmetrica. Abbiamo una linea nera continua (come mostrato nell'immagine 09), che è la simulazione numerica diretta (DNS) che stiamo cercando di riprodurre. Quello che puoi vedere subito è che l'EWF è decisamente molto più vicino ai dati DNS rispetto all'SWF. Pertanto, nella regione del buffer tra ay+ di 5 e 30, l'EWF è decisamente molto più accurato rispetto all'SWF. Questo è il motivo per cui EWF è spesso consigliato nelle simulazioni CFD [4].

Il diagramma della pressione media e il contorno per i due modelli di turbolenza sono mostrati nelle immagini 10 e 11. Sulla base della linea centrale della copertura hypar, il diagramma di distribuzione Cpe è tracciato e confrontato con il test sperimentale in galleria del vento. Il valore di Cp può essere determinato dalla seguente equazione, dove P è la pressione del vento nel 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.

Valore Cp

Cp=P-Pref12ρUref2

Come mostrato qui, il modello di turbolenza K-omega mostra prestazioni migliori nella previsione del coefficiente di pressione del vento; nel presente studio, il modello di turbolenza K-omega cattura gli effetti del distacco dei vortici in una pressione del vento negativa ad alto gradiente meglio rispetto ai modelli K-epsilon. Si consiglia di utilizzare questo modello di turbolenza come opzione più accurata nelle interazioni vento-struttura.

Autore

Mahyar Kazemian

Mahyar Kazemian

Ingegneria del prodotto

Ing. Kazemian è responsabile della fornitura di articoli tecnici, ingegneria del prodotto e marketing per Dlubal Software, in particolare RWIND 2.

Parole chiave

Simulazione del vento Carico del vento Fluidodinamica computazionale Struttura della membrana tesa Mahyar Kazemian

Riferimento

[1]   Colliers, J., et al., Prototyping of thin shell wind tunnel models to facilitate experimental wind load analysis on curved canopy structures. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2019. 188: p. 308-322.
[2]   Rizzo, F., et al., Wind action evaluation on tension roofs of hyperbolic paraboloid shape. Engineering structures, 2011. 33(2): p. 445-461.
[3]   Zhang, C., et al., Wind pressure coefficients for buildings with air curtains. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2020. 205: p. 104265.
[4]   What are Wall Functions and How do they work? https://www.youtube.com/watch?v=h5OiFpu0L4M

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  • Aggiornato 11. gennaio 2023

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RWIND è un programma (galleria del vento digitale) per la simulazione numerica dei flussi del vento attorno a qualsiasi geometria di un edificio con determinazione dei carichi del vento sulle loro superfici. Può essere utilizzato come applicazione stand-alone o insieme a RFEM e RSTAB per l'analisi strutturale completa e la progettazione.

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Software di ingegneria strutturale per l'analisi agli elementi finiti (FEA) di sistemi strutturali piani e spaziali costituiti da piastre, pareti, gusci, aste (beam), solidi ed elementi di contatto

Prezzo della prima licenza
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