User Story
In questo esempio, calcoleremo il coefficiente medio di pressione del vento (Cp), appartenente al Gruppo 2, secondo la Figura 2.2 nel WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Valori assoluti con requisiti di accuratezza media. L'area di applicazione può includere parametri o studi preliminari quando sono previste indagini successive con maggiore accuratezza (ad esempio, esame in galleria del vento di classe G3).
- R2: Solitario, tutte le direzioni del vento rilevanti con risoluzione direzionale sufficientemente fine.
- Z2: Valori medi statistici e deviazioni standard, a condizione che coinvolgano processi di flusso stazionari, per i quali una verifica statistica delle fluttuazioni con un fattore di picco è sufficiente.
- S1: Effetti statici. Sono sufficienti per rappresentare il modello strutturale con il dettaglio meccanico necessario, ma senza proprietà di massa e smorzamento.
Descrizione
Questo caso di verifica, basato sul documento del WTG tedesco: Scheda del Comitato 3 - Simulazione Numerica dei Flussi del Vento, Capitolo 9.2 (vedi riferimenti), confronta i calcoli di dinamica dei fluidi computazionali dei coefficienti di pressione del vento con i dati sperimentali del database aerodinamico della Tokyo Polytechnic University (TPU) (vedi riferimenti). L'analisi si concentra su un modello di grattacielo (rapporto 2:1:5). I dati della galleria del vento a strato limite della TPU – rigorosamente validati tramite studi peer-reviewed e pubblicamente accessibili tramite il loro portale di ingegneria del vento – forniscono metriche di riferimento per valutare l'accuratezza della modellazione della turbolenza e degli effetti di sensibilità della griglia. I parametri di confronto chiave includono i valori medi dei coefficienti di pressione nelle zone critiche dell'edificio (facciata sopravvento, pareti laterali, regioni di separazione sottovento).
| Proprietà del Fluido | Viscosità Cinematica | ν | 1.500e-5 | m2/s |
| Densità | ρ | 1.250 | kg/m3 | |
| Galleria del Vento | Lunghezza | Dx | 2720.000 | m |
| Larghezza | Dy | 900.000 | m | |
| Altezza | Dz | 720.000 | m | |
| Edificio | Larghezza | B | 80.000 | m |
| Profondità | D | 40.000 | m | |
| Altezza | H | 200.000 | m | |
| Parametri di Calcolo | Velocità di Riferimento | uref | 22.000 | m/s |
| Altezza di Riferimento | zref | 10.000 | m | |
| Costante von Kármán | κ | 0.410 | ||
| Costante di Viscosità della Turbolenza | Cμ | 0.090 | ||
| Lunghezza di Rugosità Aerodinamica della Superficie | z0 | 1.000 | m |
Soluzione Analitica
Non è disponibile una soluzione analitica. L'esempio fornisce un confronto tra i risultati della simulazione RWIND CFD e i dati sperimentali (Database Aerodinamico TPU).
Il profilo di velocità del vento è calcolato secondo la Legge della Potenza dalla seguente formula:
dove l'esponente del profilo α è definito come
L'intensità della turbolenza è presa dal Database Aerodinamico TPU secondo il seguente grafico per α=0.25.
Impostazioni di Simulazione RWIND
- Modellato in RWIND 3.04
- Tipo di simulazione del flusso transitorio
- Densità della griglia è del 20% con perfezionamenti: 5.698.702 celle
- Modello Spalart-Allmaras DDES
- Condizione al contorno in ingresso - profilo di velocità e profilo di intensità della turbolenza
- Fondo del tunnel - condizione di non scivolamento
- Pareti e parte superiore del tunnel - condizione di scivolamento
- Condizione al contorno in uscita - pressione zero; gradiente di velocità zero
Requisito di Accuratezza WTG-Merkblatt M3
Il WTG-Merkblatt M3 fornisce due metodi chiave per la validazione dei risultati della simulazione. Il Metodo del Tasso di Successo (q) valuta quanti dei valori simulati Pi corrispondono correttamente ai valori di riferimento Oi entro una tolleranza definita, utilizzando un approccio di classificazione binaria (colpire o mancare). Questo approccio valuta l'affidabilità della simulazione calcolando un tasso di successo q, simile alle funzioni di fiducia utilizzate nella teoria dell'affidabilità. Al contrario, il Mean Squared Error Normalizzato (e2) offre una valutazione dell'accuratezza più dettagliata quantificando la deviazione quadratica media tra valori simulati e di riferimento, normalizzati per tener conto delle differenze di scala. Insieme, questi metodi forniscono sia misure qualitative che quantitative per la validazione della simulazione.
Risultati
I valori desiderati del parametro di tasso di successo q sono superiori al 90% e l'errore quadratico medio relativo dovrebbe essere inferiore a 0,01. Dalla tabella seguente, è evidente che il confronto dei dati sperimentali della TPU con i risultati della simulazione del flusso in RWIND non soddisfa i requisiti.
| Superficie | q [%] per Wrel = 10% | q [%] per Wrel = 20% | e2 [1] |
| Sopravvento | 27.3 | 72.7 | 0.035 |
| Lato Destro | 0.0 | 9.1 | 0.114 |
| Lato Sinistro | 27.3 | 45.5 | 0.121 |
| Sottovento | 0.0 | 0.0 | 0.118 |
Nei seguenti grafici, i coefficienti medi di pressione del vento ottenuti tramite la simulazione RWIND sono confrontati con i valori medi delle serie temporali nei punti di prova misurati tramite il Database Aerodinamico TPU. I confronti vengono effettuati sulle superfici sopravvento, lato destro, lato sinistro e sottovento dell'edificio.
I grafici mostrano un ottimo accordo sulla superficie sopravvento. I coefficienti di pressione del vento sono cruciali per i carichi edilizi, soprattutto su questa superficie. Nel caso delle altre superfici, si osserva un buon accordo tra la tendenza dei risultati della simulazione e l'esperimento.
Nota: I dati sperimentali mostrati nei grafici sono tracciati sulla base dei file dati ottenuti dal sito web TPU. Tuttavia, i grafici visualizzati sul sito web TPU corrispondono ai file dati solo nel caso della superficie sopravvento.
