Introduzione
Nell'ingegneria del vento, una modellazione precisa e una convalida approfondita sono essenziali per mantenere la stabilità strutturale e l'efficienza aerodinamica di strutture sensibili al vento, come le antenne (Immagine 1). A causa della loro forma snella, massa ridotta e considerevole altezza, queste strutture sono particolarmente suscettibili alle forze del vento. Anche venti relativamente lievi possono esercitare una pressione significativa a causa del loro elevato rapporto superficie-massa. Garantire la sicurezza, stabilità e funzionalità a lungo termine delle antenne richiede un design e un'analisi meticolosi. Per prevedere con precisione gli effetti indotti dal vento, gli ingegneri si affidano tipicamente a test in galleria del vento, simulazioni computazionali e misurazioni in loco. Una valutazione e mitigazione efficaci sono cruciali non solo per evitare fallimenti strutturali, ma anche per garantire prestazioni ininterrotte, specialmente nei sistemi vitali di comunicazione e monitoraggio. Nell'esempio di convalida attuale, viene investigato il coefficiente di forza sia per la simulazione CFD in RWIND sia per lo studio sperimentale [1] dell'Università RWTH Aachen.
Per superare queste sfide, è essenziale convalidare rigorosamente i modelli computazionali per garantire che le loro previsioni riflettano il comportamento nel mondo reale. Un esempio chiave è la convalida delle simulazioni del carico del vento sull'antenna utilizzando sia test sperimentali che simulazioni CFD. Questo approccio consente agli ingegneri di affinare i modelli, migliorare la precisione delle previsioni e aumentare l'affidabilità strutturale delle antenne in diverse condizioni ambientali.
In collaborazione con l'Università RWTH Aachen, un'istituzione leader nell'ingegneria e nelle scienze applicate, vengono condotti studi pratici su strutture di antenne esposte a 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 resistenti. Questo studio sottolinea l'importanza della convalida nell'ingegneria del vento, dimostrando come la collaborazione tra accademia e industria possa portare a tecniche di modellazione più precise e a migliorare le prestazioni strutturali in applicazioni nel mondo reale.
Descrizione
Nell'esempio di convalida attuale, 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 sei antenne con bordi affilati in RWIND, posizionate sopra una superficie a griglia che funge da piano di terra o pavimento della galleria del vento. Il modello include diverse etichette dimensionali in magenta, che indicano misurazioni 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 tabella seguente:
| Tabella 1: Rapporto Dimensionale e Dati di Input | |||
| Velocità del Vento | V | 10 | m/s |
| Altezza | h | 0.5 | m |
| Spazio Inferiore | Gap | 0.20 | m |
| Densità dell'Aria - RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Direzioni del Vento | θwind | 0o a 360o con passo 30o | Grado |
| Modello di Turbolenza - RWIND | Steady RANS k-ω SST | - | - |
| Viscosità Cinematica - RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Ordine dello Schema - RWIND | Secondo | - | - |
| Valore Target del Residuo - 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 di Turbolenza | I | 3% | - |
Studio della Mesh Computazionale
Uno studio sulla mesh computazionale è essenziale nell'analisi CFD poiché influisce direttamente sull'accuratezza e affidabilità dei risultati. Mentre una mesh ben raffinata migliora la precisione, un'eccessiva raffinatezza aumenta il costo computazionale senza molti benefici. Pertanto, gli studi sulla sensibilità della mesh aiutano a trovare il giusto equilibrio tra accuratezza ed efficienza, consentendo decisioni migliori con l'uso pratico delle risorse. La tabella visualizzata nell'angolo inferiore destro confronta diverse densità di mesh che vanno dal 20% al 35% e i loro corrispondenti coefficienti di forza (Cf).
Per ulteriori informazioni sullo studio della mesh computazionale:
Risultati e Discussione
L'Immagine 4 presenta un'analisi che confronta dati sperimentali e simulati relativi al coefficiente di forza del vento agendo sulla complessa 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 in aumento a intervalli di 30 gradi, da 0∘ a 360∘. 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 della simulazione ottenuti utilizzando RWIND.
Per ulteriori informazioni su come calcolare il coefficiente di forza del vento in RWIND:
L'Immagine 4 illustra anche che sia i risultati sperimentali che quelli di RWIND seguono un trend strettamente allineato, riflettendo una forte concordanza tra i due metodi. Nel complesso, il coefficiente di forza Cf mostra un andamento ciclico al variare della direzione del vento, con chiari minimi che si verificano a circa 90∘ e 270∘, dove le forze aerodinamiche sono più deboli. Al contrario, i massimi sono evidenti intorno a 0∘, 150∘ e 210∘, indicando le orientazioni in cui le sei strutture di antenne con bordi affilati subiscono l'impatto del vento più significativo. La stretta corrispondenza tra i dati sperimentali e simulati conferma che RWIND replica efficacemente il comportamento aerodinamico dell'antenna, mantenendo un deviazione media di circa 5%.
Conclusione
Nel complesso, lo studio presente convalida con successo la simulazione numerica del vento confrontandola con i dati sperimentali per una struttura composta da sei antenne con bordi affilati. I risultati dimostrano che RWIND riproduce accuratamente i risultati sperimentali su un'intera gamma di direzioni del vento, indicando la sua efficacia nel prevedere i carichi del vento su strutture geometricamente complesse e slanciate. L'integrazione dei dati del coefficiente di forza tracciati, degli schemi strutturali e della visualizzazione del campo di flusso CFD offre una presentazione completa e coerente dell'approccio e dei risultati chiave dello studio.
Inoltre, ecco l'esempio dell'Università RWTH Aachen che illustra i modelli di singola e tripla antenna con bordo affilato:
