La creazione di un esempio di convalida per le simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) nelle applicazioni di ingegneria del vento richiede diversi passaggi specifici adattati alle complessità del flusso del vento e alle sue interazioni con strutture e ambienti. Ecco'una guida passo passo:
1. Definisci il problema dell'ingegneria del vento
- Specifica chiaramente lo scenario di ingegneria del vento che stai 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. Seleziona un caso di riferimento appropriato
- Scegli un caso di studio di ingegneria del vento ben documentato con dati sperimentali o sul campo affidabili. Potrebbero essere test in galleria del vento o misurazioni a grandezza naturale.
- Il caso dovrebbe assomigliare molto al tuo scenario in termini di geometria, scala e condizioni del vento.
Per il nostro attuale studio, il documento scientifico [1] dal Journal of Wind Engineering è stato scelto come caso di riferimento. Il modello è mostrato nella Figura 1:
3. Sviluppa il modello CFD
- Geometria: crea un modello digitale della struttura e del terreno circostante. Per gli edifici, includi dettagli come la forma, le caratteristiche della facciata e le strutture vicine.
- Mesh : genera una mesh che cattura la geometria con precisione, prestando particolare attenzione alle aree in cui sono previsti gradienti di flusso elevati, come angoli e bordi delle strutture.
- Condizioni al contorno e iniziali: imposta le condizioni al contorno che riflettono il profilo del vento (velocità e direzione) a diverse altezze, variazioni di temperatura e condizioni di pressione.
- Impostazioni del risolutore: seleziona i solutori adatti e i modelli di turbolenza (come k-ε o Large Eddy Simulation) che sono noti per funzionare bene nelle simulazioni di ingegneria del vento.
Le ipotesi iniziali sono considerate come nella Tabella 1.
| Tabella 1: Rapporto dimensionale e dati di input | |||
| Velocità di riferimento del vento | V | 10,13 | m/s |
| Altezza media della copertura | h | 6 | m |
| Quota orizzontale (distanza dal bordo) | α | 6 | m |
| Angolo della copertura | θcopertura | 0 | Grado |
| Densità dell'aria - RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Direzione del vento | θvento | 0 | Grado |
| 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 obiettivo residuo - RWIND | 10-4 | - | - |
| Tipo di residuo - RWIND | compressione | - | - |
| Numero minimo di iterazioni - RWIND | 800 | - | - |
| Strato limite - RWIND | NL | 10 | - |
| Tipo di funzione della parete - RWIND | Amplificato/Blended | - | - |
4. Esegui la simulazione
- Condurre simulazioni considerando sia l'analisi di stato stazionario che quella transitoria, poiché il flusso del vento può avere variazioni temporali significative.
- Assicurati che la simulazione duri abbastanza a lungo da catturare la dinamica del flusso pertinente attorno alle strutture.
5. Processo di convalida
- Confronta con i dati del benchmark: Contrasta i risultati della tua simulazione con i dati del caso di riferimento, concentrandoti su parametri come i profili della velocità del vento, la distribuzione della pressione sulle strutture e l'intensità della turbolenza.
- Analisi degli errori: esegui l'analisi quantitativa per valutare le discrepanze tra la tua simulazione e i dati del benchmark.
- Analisi di sensibilità: verifica come le variazioni nella densità della mesh, nelle condizioni al contorno e nei modelli di turbolenza influiscono sui risultati.
Per l'esempio corrente, l'analisi di sensibilità è mostrata secondo la Figura 2. I risultati delle forze di resistenza totali sono studiati per quattro diverse mesh. L'indipendenza della mesh si ottiene a 1,6 milioni di celle.
6. Documentazione
- Documenta accuratamente la tua metodologia, comprese le ipotesi, le condizioni al contorno e tutte le impostazioni pertinenti.
- Includi un confronto dettagliato dei tuoi risultati con i dati del benchmark, evidenziando sia gli accordi che le discrepanze.
7. Infittimento iterativo
- Se ci sono deviazioni significative dai dati del benchmark, perfeziona il tuo modello. Ciò potrebbe comportare la regolazione della risoluzione della mesh, la modifica dei modelli di turbolenza o la revisione delle condizioni al contorno.
- Ripetere il processo di simulazione e convalida fino a quando il modello non prevede in modo affidabile il comportamento del flusso del vento.
8. Considerazioni per le applicazioni di ingegneria eolica
- Le simulazioni CFD di ingegneria del vento spesso devono tenere conto di fenomeni complessi come il distacco di vortici, le vibrazioni e gli effetti della scia.
- La topologia urbana, gli effetti del terreno e le condizioni di stabilità atmosferica possono influenzare significativamente il flusso del vento e dovrebbero essere inclusi nel modello quando pertinente.
9. Risultati
Il diagramma del valore Cp medio utilizzando la simulazione stazionaria viene eseguito per il metodo di generazione della mesh semplificato ed esatto in RWIND e anche per il primo e il secondo metodo dello schema numerico. I risultati mostrano un buon accordo tra il metodo sperimentale e quello numerico per quanto riguarda il riferimento [1]. La Figura 3 e la Figura 4 mostrano il valore Cp medio attraverso la linea specificata in direzione verticale e orizzontale.
10. Conclusione
Questo processo di convalida è fondamentale per garantire che il tuo modello CFD rappresenti accuratamente le complessità del flusso del vento nelle applicazioni di ingegneria. Aiuta a creare fiducia nei risultati della simulazione, che possono quindi essere utilizzati per decisioni di progettazione, valutazioni di sicurezza o ulteriori studi di ricerca. Il modello di validazione è disponibile qui per il download:
