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Mahyar Kazemian, M.Sc.

2025-03-10

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Panoramica

A. Informazioni generali

B. Flussi del vento, effetti del vento e simulazione numerica

C. Linea guida WTG M3 per la simulazione numerica dei flussi del vento

C1. Scopo e contenuto della linea guida
C2. Assegnazione attività per la modellazione CFD richiesta
- C2.1 Assegnazione dei metodi di calcolo ai requisiti di indagine
- C2.2 Requisiti per le indagini numeriche

D. Note sulla modellazione CFD

E. Uso pratico dei risultati della simulazione fluidodinamica computazionale

F. Documentazione

G. Garanzia di qualità

H. Esempi

I. Riferimenti

H1.4. Prova del livello di confine atmosferico

Descrizione

Questo esempio si basa sul test dello strato limite atmosferico (SLA) dal documento del WTG tedesco: Scheda informativa del Comitato 3 - Simulazione numerica dei flussi di vento, Capitolo 9.1 (vedi riferimenti). Prima di ogni simulazione numerica, si dovrebbe verificare se lo strato limite atmosferico definito all'ingresso raggiunge la struttura testandone lo sviluppo in un tunnel vuoto. Ciò influenza non solo la distribuzione delle velocità, ma anche le quantità turbolente. Il test deve essere eseguito sia per calcoli stazionari (RANS) sia per calcoli transitori (URANS, LES). Nell'articolo seguente, viene mostrato lo sviluppo di un campo di velocità, di energia cinetica turbolenta e del tasso di dissipazione della turbolenza per le quattro categorie di terreno I a IV definite nell'EN 1991-1-4. Si utilizza una turbolenza verticalmente anisotropica secondi Capitol 6.3.1 e il modello turbolento RANS k-ω SST.

Proprietà del fluido	Viscosità cinematica	ν	1.500e-5	m²/s
Proprietà del fluido	Densità	ρ	1.250	kg/m³
Galleria del vento	Lunghezza	D_x	800.000	m
	Larghezza	D_y	80.000	m
	Altezza	D_z	300.000	m
Parametri di calcolo	Velocità di riferimento	u_ref	20.000	m/s
	Altezza di riferimento	z_ref	10.000	m
	Costante di von Kármán	κ	0.410
	Costante di viscosità della turbolenza	C_μ	0.090

Test del livello di confine atmosferico condotto in una galleria del vento senza ostruzioni. Attenzione all'esame del flusso d'aria.

Test del flusso al contorno

Soluzione analitica

Non è disponibile una soluzione analitica. L'esempio fornisce una panoramica dello sviluppo del campo quantità scelto in una galleria del vento vuota.

Il profilo di velocità del vento è calcolato dalla seguente equazione:

u (z) = \frac{u_{*}}{κ} \ln (\frac{z + z_{0}}{z_{0}})

z₀	Lunghezza della rugosità

Profilo della velocità del vento

dove u_* è la velocità di attrito, definita come:

u_{*} = \frac{u_{ref} κ}{\ln (\frac{z_{ref} + z_{0}}{z_{0}})}

Velocità di attrito

Il profilo di turbolenza k è definito secondo la seguente equazione:

k (z) = \frac{u_{*}^{2}}{\sqrt{C_{μ}}}

C_μ	Parametro del modello di turbolenza

Profilo di turbolenza k

Il profilo di turbolenza ω è calcolato secondo la seguente equazione:

ω (z) = \frac{u_{*}}{κ \sqrt{C_{μ}}} \frac{1}{z + z_{0}}

Profilo Omega di turbolenza

Impostazioni di simulazione RWIND

Modellato in RWIND 3.03.0220
Tipo di simulazione di flusso stazionario
Densità della mesh è 28%: 2.482.465 celle
Numero di strati limite del tunnel è 10
L'altezza della prima cella in basso è 0.046 m
y+ varia da 800 a 1.000
Modello di turbolenza RANS k-ω SST
Condizione al contorno in ingresso - ABL v, k, ω gradiente di pressione zero
Fondale del tunnel - condizione al contorno senza slittamento
Pareti e parte superiore del tunnel - condizione al contorno con slittamento
Condizione al contorno in uscita - pressione zero; gradiente di velocità zero

Risultati

La metrica di validazione è calcolata secondo WTG: Scheda informativa del Comitato 3 - Simulazione numerica dei flussi di vento, Capitolo 5.3.2 (vedi riferimenti). Innanzitutto, viene calcolato il valore del parametro tasso di successo q per il valore medio del coefficiente di pressione. Si considera la deviazione relativa W_rel.

\begin{matrix} q = \frac{n}{N} = \frac{1}{N} \cdot \sum_{i = 1}^{N} n_{i} \\ n_{i} = \{\begin{cases} 1, & if |\frac{P_{i} - O_{i}}{O_{i}}| \leq W_{rel} \\ 0, & else \end{cases} \end{matrix}

N	Total number of data points
n_i	Indicator function (1 if prediction is “correct”, 0 otherwise)
P_i	Predicted value
O_i	Reference value
W_rel	Allowed relative deviation

Metrica di convalida secondo WTG

In alternativa, l'errore quadratico medio relativo e² può essere calcolato anche secondo la seguente formula.

e^{2} = \frac{\sum_{i = 1}^{N} {(P_{i} - O_{i})}^{2}}{\sum_{i = 1}^{N} O_{i}^{2}}

Deviazione degli errori medi

I valori desiderati del parametro tasso di successo q sono superiori al 90% e l'errore quadratico medio relativo dovrebbe essere inferiore a 0.01. Dalla tabella seguente, è chiaro che il confronto tra la velocità di ingresso e la velocità nel tunnel (x = 0 m) soddisfa i requisiti.

Categoria di terreno	q [%] per W_rel = 10%	e² [1]
CT I	93.2	0.0007
CT II	93.2	0.0001
CT III	97.7	0.00001
CT IV	100.0	0.00001

I seguenti grafici presentano lo sviluppo della velocità, dell'energia cinetica turbolenta e del tasso specifico di dissipazione in un tunnel del vento vuoto.

Categoria di terreno I