Introduzione
La previsione accurata delle forze indotte dal vento su strutture di antenne è un aspetto critico nell'ingegneria strutturale e delle telecomunicazioni, in particolare per dispositivi ad alta frequenza e di forma allungata come l'antenna Kathrein 80010804. In questo studio, viene effettuata una convalida completa delle simulazioni CFD basate sul vento per la sezione trasversale dell'antenna in collaborazione con l'Università di Aquisgrana. L'obiettivo è valutare l'affidabilità dei risultati numerici generati dal software RWIND Simulation confrontandoli con misurazioni in galleria del vento, comprendendo sia test interni sia dati di riferimento pubblicati nella tesi di Master dell'Università di Aquisgrana [1] e Catalogo Kathrein tecnico (Immagini 1 e 2).
Una delle principali sfide nel processo di convalida è la sensibilità del comportamento aerodinamico al numero di Reynolds, in particolare a bassi angoli di attacco del vento (ad es. 0° e 180°), dove dominano fenomeni di separazione e riattacco del flusso. Le prestazioni aerodinamiche a queste orientazioni dipendono fortemente dal regime di flusso, dalla rugosità della superficie e dalla scala del modello fisico, portando a discrepanze tra risultati CFD e scoperte sperimentali.
Questo studio di convalida non solo serve a effettuare un benchmark del RWIND ma contribuisce anche a migliorare le migliori pratiche per la simulazione di geometrie complesse di antenne sottoposte a carico del vento. I risultati sottolineano l'importanza di considerare gli effetti di Reynolds, le condizioni al contorno e la fedeltà geometrica per raggiungere un accordo significativo con i dati sperimentali.
![Simulazione CFD per l'analisi del carico del vento su strutture di antenne: Validazione tramite test in galleria del vento [1]](/it/webimage/057701/4702092/Image.png?mw=760&hash=ec9a55cdca40d30b4481aa04757df3b01dc1fa64)
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 di Aquisgrana. Il modello rappresenta la sezione trasversale dell'antenna Kathrein 80010804 in RWIND, posizionata sopra una superficie a griglia che funge da piano a terra o pavimento della galleria del vento. Il modello comprende diverse etichette dimensionali, indicando misure specifiche nell'Immagine 3. L'altezza totale dell'antenna è di 1,50 m e la larghezza (b) è di 0,3 m; la sua base è elevata di 0,20 m dal suolo come mostrato nell'Immagine 3. È importante notare che l'area di riferimento è assunta costante in tutte le direzioni del vento, come definito dalla seguente formula:
Dati in ingresso e ipotesi
L'assunto richiesto per la simulazione del vento è illustrato nella seguente tabella:
| Tabella 1: Rapporto dimensionale e dati di input | |||
| Velocità del vento | V | 14 - 41 | m/s |
| Altezza | H | 1.5 | m |
| Distanza dal fondo | Gap | 0.20 | m |
| Densità dell'aria - RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Direzioni del vento | θwind | 0o a 360o con passo di 30o | Gradi |
| Modello di turbolenza - RWIND | Steady RANS k-ω SST | - | - |
| Viscosità cinematica - RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Ordine del schema - RWIND | Secondo | - | - |
| Valore obiettivo 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 turbolenta | I | 5% | - |
Studio della rete computazionale
Uno studio della rete computazionale è essenziale nell'analisi CFD perché influisce direttamente sulla precisione e affidabilità dei risultati. Mentre una rete ben raffinata migliora la precisione, un eccessivo raffinamento aumenta il costo computazionale senza molto beneficio. Pertanto, gli studi di sensibilità della rete aiutano a trovare il giusto equilibrio tra precisione ed efficienza, consentendo di prendere decisioni migliori con un uso pratico delle risorse. La tabella mostrata nell'angolo in basso a destra confronta varie densità di rete che vanno dal 15% al 55% e i loro corrispondenti coefficienti di forza (Cf) come mostrato nell'Immagine 4.
Per ulteriori informazioni sullo studio della rete computazionale:
Risultati e discussione
L'Immagine 5 confronta il coefficiente di forza Cf attraverso il modello dell'antenna, basato su misurazioni in galleria del vento e risultati RWIND a velocità del vento di 14 m/s e 41 m/s. Entrambe le simulazioni (14 m/s e 41 m/s) seguono la tendenza sperimentale, che conferma la corretta sensibilità all'orientamento del flusso, ma sottostima leggermente i valori di picco, con deviazioni del 10% e 12%, rispettivamente. Il Cf minimo si verifica a 90∘ e 270∘, e il massimo a 180∘, riflettendo l'esposizione al vento. La visualizzazione CFD inclusa illustra la separazione del flusso, supportando i risultati. Il numero di Reynolds influenza la separazione del flusso, la turbolenza e il distacco dei vortici. Anche piccole differenze in Re tra CFD (a 14 m/s e 41 m/s) e la galleria del vento possono causare cambiamenti nella distribuzione della pressione, specialmente nelle sezioni con angoli arrotondati. RWIND potrebbe non riprodurre completamente gli effetti di Reynolds a causa della complessità della fisica. Il confronto evidenzia un ragionevole accordo, con lievi deviazioni dovute agli effetti del numero di Reynolds.
Per ulteriori informazioni su come calcolare il coefficiente di forza del vento in RWIND:
Conclusione
Nel complesso, lo studio attuale convalida la simulazione numerica del vento per la sezione trasversale dell'antenna Kathrein 80010804 confrontando i risultati RWIND con i dati sperimentali forniti in collaborazione con l'Università di Aquisgrana. Il confronto conferma che RWIND cattura in modo affidabile il coefficiente di forza aerodinamica dell'antenna con angoli arrotondati in tutte le direzioni del vento, dimostrando la sua capacità di simulare carichi di vento su geometrie slanciate e curve. L'accordo ragionevole tra i coefficienti di forza simulati e misurati sottolinea l'accuratezza del modello.
Inoltre, ecco l'esempio dell'Università di Aquisgrana che illustra i modelli di antenne a singolo e triplo spigolo vivo:
