User Story
In questo esempio, calcoleremo il coefficiente medio di forza e momento per Università Politecnica di Tokyo (TPU) come esempio sperimentale (M0/S0), come applicabile al processo di progettazione strutturale basato sul WTG-Merkblatt-M3.
Questa parte dei risultati appartiene a Gruppo 1 secondo Figura 2.2 nel WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Valori assoluti con requisiti di precisione media. L'area di applicazione può includere parametri o studi preliminari quando sono previste ulteriori indagini con maggiore precisione (ad esempio, esame in galleria del vento di classe G3).
- R2: Solitario, tutte le direzioni del vento rilevanti con risoluzione direzionale sufficientemente fine.
- Z1: Valori medi statistici, a condizione che si riferiscano a processi di flusso stazionari dove le fluttuazioni (ad esempio, dovute alla turbolenza del flusso in avvicinamento) possono essere catturate sufficientemente da altre misure.
- S1: Effetti statici. È sufficiente rappresentare il modello strutturale con il dettaglio meccanico necessario, ma senza proprietà di massa e smorzamento.
Descrizione
Indagando sul comportamento aerodinamico in diversi piani, questo confronto mira a fornire una comprensione più completa della distribuzione delle forze. Tali informazioni sono fondamentali per valutare la stabilità complessiva del modello, le prestazioni aerodinamiche e la risposta strutturale in condizioni di flusso. I profili di velocità media e intensità turbolenta ricreati nella galleria del vento corrispondono a quelli della Categoria Terreno IV secondo lo standard dell'Istituto Architettonico del Giappone (AIJ). L'esponente di 0,25 citato in alcune figure è stato classificato come errore tipografico su richiesta. Il modello assunto è mostrato in Immagine 1:
Le ipotesi alla base dell'analisi e delle simulazioni sono riassunte nella Tabella 1, fornendo una panoramica chiara dei parametri e delle condizioni considerati durante lo studio.:
Tabella 1: Dati di input del modello rettangolare 3D
| Parametro | Simbolo | Valore | Unità |
|---|---|---|---|
| Velocità del vento di riferimento | UH | 11 | m/s |
| Altezza del tetto | Href | 0.4 | m |
| Esponente del profilo | α | 0.25 | - |
| Categoria del terreno | - | IV | - |
| Densità dell'aria – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m³ |
| Modello di Turbolenza – RWIND | RANS K-Omega | - | - |
| Viscosità cinematica – RWIND | ν | 1.5×10⁻⁵ | m²/s |
| Ordine dello 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 parete – RWIND | Potenziata / Fusa | - | - |
Studio della Mesh Computazionale
L'immagine 2 riassume uno studio di sensibilità della mesh, mostrando che all'aumentare della densità della mesh dal 20% al 55%, il coefficiente di forza (Cf) aumenta da 0,95 a 1,05 e poi si stabilizza. Ciò indica che la simulazione raggiunge l'indipendenza della mesh al 55%, il che significa che ulteriori raffinatezze non cambiano più significativamente i risultati. L'immagine evidenzia l'importanza della qualità della mesh nell'assicurare esiti di simulazione del vento affidabili.
Inoltre, lo studio della mesh computazionale deve essere eseguito secondo il seguente link:
L'immagine 3 presenta un diagramma che confronta i risultati RWIND con i dati sperimentali, riguardante la rappresentazione dei profili di velocità del vento normalizzati secondo l'altezza. I risultati mostrano un ottimo accordo.
Requisito di Precisione WTG-Merkblatt
Il WTG-Merkblatt M3 fornisce due metodi chiave per convalidare i risultati delle simulazioni. Il Metodo Hit Rate valuta quanti dei valori simulati Pi corrispondono correttamente ai valori di riferimento Oi entro una tolleranza definita, utilizzando un approccio di classificazione binaria (hit o miss). Questo approccio valuta l'affidabilità della simulazione calcolando un tasso di successo q, simile alle funzioni di confidenza utilizzate nella teoria dell'affidabilità. Al contrario, il metodo del Mean Squared Error Normalizzato (e2) offre una valutazione più dettagliata della precisione quantificando la deviazione media quadratica tra valori simulati e di riferimento, normalizzata per tener conto delle differenze di scala. Insieme, questi metodi forniscono misure sia qualitative che quantitative per la convalida della simulazione.
Risultati e Discussione
La Tabella 3 mostra un ottimo accordo per la metrica di convalida tra i risultati RWIND e i dati di riferimento WTG per i valori di velocità normalizzati. Tutte le deviazioni sono in un intervallo accettabile (inferiore al 10%), quindi si ottiene il tasso di successo q = 100%, e l'errore quadratico medio normalizzato e2 = 0.00001 è estremamente basso. Questi risultati confermano che RWIND riproduce accuratamente il profilo del vento di riferimento e soddisfa criteri di convalida rigorosi.
Tabella 3: Metrica di Convalida per il Profilo di Velocità
| WTG - u / Uref | RWIND - u / Uref | Deviazione (%) | n |
|---|---|---|---|
| 0.394 | 0.390 | 1.045 | 1.00 |
| 0.478 | 0.473 | 1.093 | 1.00 |
| 0.566 | 0.564 | 0.291 | 1.00 |
| 0.629 | 0.629 | 0.081 | 1.00 |
| 0.675 | 0.674 | 0.183 | 1.00 |
| 0.713 | 0.712 | 0.072 | 1.00 |
| 0.750 | 0.753 | 0.422 | 1.00 |
| 0.784 | 0.783 | 0.098 | 1.00 |
| 0.822 | 0.819 | 0.362 | 1.00 |
| 0.869 | 0.865 | 0.463 | 1.00 |
| 0.897 | 0.901 | 0.496 | 1.00 |
| 0.939 | 0.940 | 0.113 | 1.00 |
| 1.010 | 1.005 | 0.493 | 1.00 |
| 1.065 | 1.070 | 0.540 | 1.00 |
| 1.123 | 1.124 | 0.044 | 1.00 |
| 1.161 | 1.162 | 0.121 | 1.00 |
| 1.195 | 1.195 | 0.051 | 1.00 |
| 1.237 | 1.240 | 0.263 | 1.00 |
| 1.266 | 1.270 | 0.291 | 1.00 |
| 1.299 | 1.302 | 0.223 | 1.00 |
L'immagine 4 illustra come le zone di superficie vengono definite in RWIND per calcolare accuratamente i coefficienti di forza su ciascun lato di un modello di edificio esposto al vento. Il modello 3D, con una forma rettangolare semplice, ha ciascun lato anteriore, posteriore, sinistro, destro e superiore assegnato a una zona codificata a colori distinta. Queste zone consentono a RWIND di analizzare separatamente e calcolare le forze aerodinamiche e la distribuzione della pressione in modo indipendente per ciascuna superficie. Invece di posizionare numerosi sonde puntuali, abbiamo scelto di definire le zone di superficie, poiché RWIND può determinare direttamente il coefficiente di forza per ciascuna zona definita.
Al centro dell'Immagine 4, la finestra "Modifica Zona" è aperta per la Zona No. 2 – Frontale come esempio. Questo output dettagliato include i principali parametri aerodinamici. L'area proiettata di questa zona nella direzione del vento è 0,04 m². La forza di resistenza calcolata su questa superficie è 1,7 N, e il corrispondente coefficiente di forza (Cx) è 0,56. Nella seguente formula, il coefficiente di forza del vento (coefficiente di forza aerodinamica) per una specifica zona di pressione è calcolato come esempio. Questo valore può quindi essere confrontato con il valore visualizzato sotto la scheda Info nella finestra di dialogo Modifica Dati Modello.
L'immagine 5 mostra i risultati di post-elaborazione di una simulazione del vento condotta per un edificio alto utilizzando il modello di turbolenza k-omega. Sul lato destro dell'immagine, una tabella di confronto visualizza i coefficienti di forza ottenuti dalla simulazione CFD insieme a valori di riferimento dalla linea guida WTG. La superficie anteriore presenta un coefficiente di forza di 0,562, rispetto al riferimento WTG di 0,540, che corrisponde a una deviazione del 4,07%. La superficie posteriore, che è soggetta a pressione negativa a causa degli effetti della scia, mostra una deviazione leggermente maggiore del 6,09%. Le superfici laterali mostrano anche differenze minori, con deviazioni comprese tra 3,68% e 5,38%. Notevolmente, il coefficiente di forza totale nella direzione del vento rappresentante l'effetto di resistenza globale mostra solo una deviazione dell'1,95%, evidenziando la precisione e l'affidabilità della simulazione CFD nella cattura del comportamento aerodinamico complessivo della struttura.
I valori effettivi della forza in newton per ciascuna faccia dell'edificio sono visualizzati sotto questa tabella. La superficie anteriore è soggetta a una forza di resistenza positiva di 1,7 N, mentre le superfici posteriore, destra e sinistra sperimentano forze negative a causa dell'aspirazione e della resistenza laterale. La forza netta totale nella direzione del vento ammonta a 3,2 N, corrispondente all'output della forza globale dichiarato nel riepilogo della mesh. La simulazione ha utilizzato una velocità del vento di riferimento di 11 m/s e un'area di faccia di 0,04 m².
La Tabella 4 mostra che RWIND replica accuratamente i coefficienti medi di forza di riferimento WTG su tutte le superfici, con deviazioni comprese tra 1,95% e 6,09% e q=100% come tasso di successo. Il basso errore quadratico medio normalizzato e2=0.0015 conferma un forte accordo tra simulazione e misurazioni, soddisfacendo efficacemente gli standard di convalida.
Tabella 4: Metrica di Convalida per Coefficienti Medi di Forza tra WTG e RWIND
| Coefficiente di Forza | Cf,mean – WTG | Cf – RWIND – k-omega | Deviazione (%) | n |
|---|---|---|---|---|
| Superficie anteriore | 0.540 | 0.562 | 4.07 | 1.00 |
| Superficie posteriore | –0.528 | –0.496 | 6.09 | 1.00 |
| Superficie laterale destra | –0.829 | –0.860 | 3.68 | 1.00 |
| Superficie laterale sinistra | –0.847 | –0.893 | 5.38 | 1.00 |
| Forza totale nella direzione del vento | 1.070 | 1.058 | 1.95 | 1.00 |
| Forza totale nella direzione trasversale | 0.018 | 0.020 | 10.00 | 1.00 |
| Momento nella direzione del vento | 0.582 | 0.520 | 10.65 | 1.00 |
| Momento nella direzione trasversale | 0.010 | 0.0099 | 1.00 | 1.00 |
