Introduzione
Nel campo dell'ingegneria del vento, la modellazione e la convalida accurate sono fondamentali per garantire l'integrità strutturale e le prestazioni aerodinamiche di diverse strutture sensibili al vento, come le antenne (Immagine 1). Queste strutture, spesso caratterizzate dalla loro geometria snella, leggerezza e notevole altezza, sono intrinsecamente vulnerabili ai carichi di vento. Anche condizioni di vento moderate possono imporre forze significative su tali elementi a causa del loro grande rapporto superficie-massa. In particolare, le antenne richiedono un'attenzione meticolosa durante il processo di progettazione e analisi per garantire stabilità, funzionalità e sicurezza nel tempo. I test in galleria del vento, le simulazioni computazionali e le misurazioni sul campo sono comunemente impiegati per prevedere con precisione le pressioni del vento e le risposte. Una valutazione e strategie di mitigazione adeguate sono essenziali non solo per prevenire danni strutturali ma anche per mantenere prestazioni operative continue, soprattutto nelle applicazioni critiche di comunicazione o monitoraggio. Nell'attuale esempio di convalida, viene investigato il coefficiente di forza sia per la simulazione CFD in RWIND sia per lo studio sperimentale [1] dell'Università RWTH Aachen.
Per affrontare queste sfide, è necessario un rigoroso processo di convalida dei modelli computazionali per garantire che le previsioni teoriche siano allineate con le prestazioni nel mondo reale. Un esempio di questo tipo è la convalida delle simulazioni di carichi di vento sulle antenne tramite test sperimentali e analisi dinamica dei fluidi computazionale (CFD). Questo processo consente agli ingegneri di perfezionare i loro modelli, migliorare la precisione e aumentare l'affidabilità complessiva delle strutture delle antenne in varie condizioni ambientali.
In collaborazione con l'Università RWTH Aachen, un'istituzione leader nell'ingegneria e nelle scienze applicate, vengono condotti studi pratici sulle strutture delle antenne esposte ai carichi del vento. Combinando approcci teorici con dati empirici, la ricerca mira a colmare il divario tra simulazione e realtà, contribuendo allo sviluppo di design di antenne più sicuri e resilienti. Questo studio sottolinea l'importanza della convalida nell'ingegneria del vento, dimostrando come la collaborazione accademico-industriale possa portare a tecniche di modellazione più precise e migliorate prestazioni strutturali nelle applicazioni del mondo reale.
Descrizione
Nell'attuale esempio di convalida, viene investigato il coefficiente di forza sia per la simulazione CFD in RWIND sia per lo studio sperimentale [1] dell'Università RWTH Aachen. Il modello rappresenta tre antenne a spigolo vivo in RWIND, posizionate sopra una superficie a griglia che funge da piano del suolo o da pavimento della galleria del vento. Il modello include diverse etichette dimensionali in magenta, che indicano misure specifiche: l'altezza totale dell'antenna è di 0,50 m; la sua base è elevata di 0,20 m dal suolo come mostrato nell'immagine 2.
Dati di Input e Assunzioni
L'assunzione richiesta della simulazione del vento è illustrata nella seguente tabella:
| Tabella 1: Rapporto Dimensionale e Dati di Input | |||
| Velocità del Vento | V | 10 | m/s |
| Altezza | h | 0,5 | m |
| Gap Infernale | Gap | 0,20 | m |
| Densità dell'Aria - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Direzioni del Vento | θvento | 0o a 360o con passo di 30o | Grado |
| Modello di Turbolenza - RWIND | Steady RANS k-ω SST | - | - |
| Viscosità Cinematica - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Ordine del Modello - RWIND | Secondo | - | - |
| Valore Target Residuale - 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 | Enhanced / Blended | - | - |
| Intensità della Turbolenza | I | 3% | - |
Studio della Mesh Computazionale
Uno studio della mesh computazionale è essenziale nell'analisi CFD perché influenza direttamente l'accuratezza e l'affidabilità dei risultati. Sebbene una mesh ben affinata migliori la precisione, un eccessivo affina crea un costo computazionale aggiuntivo senza apportare molti benefici. Pertanto, gli studi di sensibilità della mesh aiutano a trovare il giusto equilibrio tra accuratezza ed efficienza, consentendo una migliore presa di decisioni con un uso pratico delle risorse. La tabella visualizzata nell'angolo in basso a destra confronta varie densità di mesh che vanno dal 10% al 30% e i relativi coefficienti di forza (Cf).
Maggiori informazioni sullo studio della mesh computazionale:
Risultati e Discussione
L'immagine 4 presenta un'analisi che confronta i dati sperimentali e simulati relativi al coefficiente di forza del vento che agisce sulla struttura dell'antenna. Al centro dell'immagine, un grafico a linee illustra la variazione del coefficiente di forza Cf in funzione della direzione del vento θ, misurata in gradi da 0∘ a 360∘. L'asse verticale rappresenta il coefficiente di forza Cf, che varia da 0,0 a 1,0, e l'asse orizzontale rappresenta le direzioni del vento a intervalli di 30 gradi. Due set di dati sono tracciati sul grafico: la linea nera con marcatori triangolari rappresenta le misurazioni sperimentali, mentre la linea verde con marcatori circolari rappresenta i risultati delle simulazioni ottenute utilizzando RWIND.
Maggiori informazioni su come calcolare il coefficiente di forza del vento in RWIND:
Il grafico mostra che sia i risultati sperimentali che quelli di RWIND seguono una tendenza simile, indicando un alto livello di concordanza tra i due. In generale, il coefficiente di forza mostra un comportamento periodico, con cali evidenti nelle direzioni del vento di circa 60∘ e 180∘, dove i valori di Cf sono al minimo. I picchi si osservano attorno a 0∘, 120∘, 240∘ e 330∘, dove la struttura sta sperimentando le forze maggiori indotte dal vento. L'allineamento stretto delle due curve illustra che RWIND cattura accuratamente la risposta aerodinamica della struttura, con una deviazione media riportata intorno al 5% rispetto ai dati sperimentali.
Nel complesso, lo studio attuale investiga efficacemente il processo di convalida di una simulazione numerica del vento rispetto ai risultati di esperimenti fisici. Mostra che RWIND si comporta molto bene nella replicazione dei dati sperimentali in varie direzioni del vento, suggerendo la sua idoneità per prevedere carichi di vento su strutture verticali snelle come i piloni delle antenne. La combinazione di dati grafici, visuali strutturali e simulazione del campo di flusso fornisce una rappresentazione chiara e completa della metodologia e dei risultati dello studio.
Inoltre, l'esempio della singola antenna a spigolo vivo dell'Università RWTH Aachen è qui:
