Questa guida delinea i passaggi essenziali nello sviluppo di un esempio di validazione per una simulazione CFD, dalla selezione di uno scenario fisico adeguato all'analisi e al confronto dei risultati. Seguendo meticolosamente questi passaggi, ingegneri e ricercatori possono migliorare la credibilità dei loro modelli CFD, aprendo la strada alla loro applicazione efficace in campi diversi come l'aerodinamica, l'aerospaziale e gli studi ambientali.
Creare un esempio di validazione per simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) nelle applicazioni di ingegneria del vento comporta diversi passaggi specifici adattati alle complessità del flusso del vento e delle sue interazioni con le strutture e l'ambiente. Ecco una guida passo passo:
1. Definizione del Problema di Ingegneria del Vento
- Specificare chiaramente lo scenario di ingegneria del vento che si sta simulando, come il flusso del vento attorno a edifici, ponti o altre strutture.
- Includere dettagli sul terreno, le caratteristiche dello strato limite atmosferico e qualsiasi fattore ambientale rilevante.
2. Selezione del Caso di Riferimento Appropriato
- Scegliere un caso di studio di ingegneria del vento ben documentato con dati sperimentali o sul campo affidabili. Potrebbe trattarsi di test in galleria del vento o misurazioni in scala reale.
- Il caso dovrebbe assomigliare strettamente al vostro scenario in termini di geometria, scala e condizioni del vento.
Per il nostro studio attuale, l'articolo scientifico [1] dal Journal of Wind Engineering è scelto come caso di riferimento. Il modello è mostrato nell'Immagine 1:
3. Sviluppo del Modello CFD
- Geometria: Creare un modello digitale della struttura e del terreno circostante. Per gli edifici, includere dettagli come la forma, le caratteristiche delle facciate e le strutture vicine.
- Generazione della griglia: Generare una griglia che catturi accuratamente la geometria, prestando particolare attenzione alle aree in cui si prevedono gradienti di flusso elevati, come angoli e bordi delle strutture.
- Condizioni al Contorno e Iniziali: Impostare condizioni al contorno che riflettano il profilo del vento (velocità e direzione) a diverse altezze, variazioni di temperatura e condizioni di pressione.
- Impostazioni del Risolutore: Selezionare risolutori e modelli di turbolenza appropriati (come k-ε o Simulazione dei Vortici Grandi) noti per funzionare bene nelle simulazioni di ingegneria del vento.
Le ipotesi iniziali sono considerate nella Tabella 1.
| Velocità del Vento di Base | V | 10.13 | m/s |
| Altezza del Tetto | h | 6 | m |
| Dimensione Orizzontale | α | 6 | m |
| Angolo del Tetto | θroof | 0 | Gradi |
| Densità dell'Aria – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Direzioni del Vento | θwind | 0 | Gradi |
| Modello di Turbolenza – RWIND | Stato Stazionario RANS k-ω SST | - | - |
| Viscosità Cinematica (Equazione 7.15, EN 1991-1-4) – RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Ordine dello Schema – RWIND | Primo e Secondo | - | - |
| Valore Target dei Residui - RWIND | 10-4 | - | - |
| Tipo di Residuo – RWIND | Pressione | - | - |
| Numero Minimo di Iterazioni – RWIND | 800 | - | - |
| Strato Limite – RWIND | NL | 10 | - |
| Tipo di Funzione di Parete – RWIND | Avanzata / Miscelata | - | - |
4. Esecuzione della Simulazione
- Condurre simulazioni considerando sia analisi stazionarie che transitorie, poiché il flusso del vento può avere variazioni temporali significative.
- Assicurarsi che la simulazione duri abbastanza a lungo da catturare le dinamiche del flusso rilevanti attorno alle strutture.
5. Processo di Validazione
- Confronto con Dati di Riferimento: Confrontare i risultati della simulazione con i dati del caso di riferimento, concentrandosi su parametri come profili di velocità del vento, distribuzione della pressione sulle strutture e intensità della turbolenza.
- Analisi degli Errori: Eseguire un'analisi quantitativa per valutare le discrepanze tra la propria simulazione e i dati di riferimento.
- Analisi di Sensibilità: Testare come le modifiche alla densità della griglia, alle condizioni al contorno e ai modelli di turbolenza influenzano i risultati.
Per l'esempio attuale, l'analisi di sensibilità è mostrata secondo l'Immagine 2. I risultati delle forze di trascinamento totali sono investigati per sei diverse dimensioni della griglia. L'indipendenza dalla griglia è ottenuta a 1,6 milioni di celle (Griglia #4). In CFD, uno studio di convergenza della griglia aiuta a trovare la dimensione della griglia ottimale (Griglia #4) in cui i risultati della simulazione (ad es., forza di trascinamento) diventano indipendenti dalla griglia. Utilizzare una griglia troppo grossolana come Griglia #1 può portare a risultati inaccurati, mentre griglie troppo fini possono introdurre errori numerici e aumentare il tempo di calcolo come mostrato in Griglia #6 nell'Immagine 2.
Per identificare la griglia ottimale che garantisce sia accuratezza che indipendenza dalla griglia, si consiglia di valutare almeno tre diverse dimensioni della griglia. Quando i risultati si stabilizzano con griglie più fini, la soluzione è considerata affidabile e indipendente dalla densità della griglia. Si raccomanda anche di esaminare riferimenti importanti come ASCE 7-22 Capitolo C31 - Procedura Galleria del Vento, Yeo, D. 2020 [2], e Roache [3].
6. Documentazione
- Documentare accuratamente la metodologia, comprese le ipotesi, le condizioni al contorno e tutte le impostazioni rilevanti.
- Includere un confronto dettagliato dei propri risultati con i dati di riferimento, evidenziando sia le concordanze che le discrepanze.
7. Raffinamento Iterativo
- Se ci sono deviazioni significative dai dati di riferimento, perfezionare il modello. Questo potrebbe comportare la regolazione della risoluzione della griglia, la modifica dei modelli di turbolenza o la revisione delle condizioni al contorno.
- Ripetere il processo di simulazione e validazione fino a quando il modello prevede affidabilmente il comportamento del flusso del vento.
8. Considerazioni per Applicazioni di Ingegneria del Vento
- Le simulazioni CFD di ingegneria del vento spesso devono tenere conto di fenomeni complessi come la scia del vortice, i disturbi e gli effetti di scia.
- La topologia urbana, gli effetti del terreno e le condizioni di stabilità atmosferica possono influenzare significativamente il flusso del vento e dovrebbero essere incluse nel modello quando rilevanti.
9. Risultati
Il diagramma del valore medio di Cp utilizzando la simulazione stazionaria viene eseguito per i metodi di generazione della griglia semplificati ed esatti in RWIND, nonché per il primo e secondo metodo dello schema numerico. I risultati mostrano un buon accordo tra i metodi sperimentali e numerici in riferimento a [1]. Le Immagini 3 e 4 mostrano il valore medio di Cp attraverso una linea specificata nelle direzioni verticale e orizzontale.
10. Conclusione
Questo processo di validazione è cruciale per garantire che il vostro modello CFD rappresenti accuratamente le complessità del flusso del vento nelle applicazioni ingegneristiche. Aiuta a costruire fiducia nei risultati della simulazione, che possono quindi essere utilizzati per decisioni di progetto, valutazioni di sicurezza o ulteriori studi di ricerca. Il modello di validazione è disponibile per il download qui:
