H.1.8. Dati di Misurazione per i Carichi del Vento su Strutture Cilindriche (Esempio WTG 9.5)

User Story

Questo esempio presenta misurazioni sperimentali delle forze aerodinamiche e della distribuzione della pressione su un cilindro circolare, ampiamente utilizzate come dati di riferimento per la validazione di simulazioni CFD nell’ingegneria del vento. Il flusso attorno a un cilindro circolare rappresenta un problema aerodinamico classico in cui il distacco del flusso, la formazione della scia e gli effetti del numero di Reynolds influenzano fortemente le forze aerodinamiche. A causa di questi fenomeni, le superfici curve come i cilindri sono particolarmente impegnative per le simulazioni numeriche.

Gli studi sperimentali mostrano che i coefficienti aerodinamici di un cilindro variano significativamente con il numero di Reynolds e la rugosità superficiale. Ad alti numeri di Reynolds tipici dei flussi di vento atmosferici, le misurazioni mostrano spesso una notevole dispersione, indicando che i risultati dipendono non solo dal numero di Reynolds ma anche dalle caratteristiche superficiali e dalle condizioni di turbolenza. L’esempio può appartenere al Gruppo 1, secondo Figura 2.2 nel WTG-Merkblatt-M3, in base all’esame del valore medio della velocità del vento:

• G1: Valori qualitativi con requisiti di precisione bassi per l’uso nell’analisi preliminare o nella progettazione preliminare. L’impegno e i requisiti relativi al livello di dettaglio sono ridotti, poiché spesso non tutte le condizioni al contorno sono completamente chiarite.
• R1: Solitario (senza edifici circostanti), analisi di singole direzioni del vento importanti.
• Z1: Valori medi statistici, a condizione che si tratti di processi di flusso stazionari in cui le fluttuazioni (ad esempio dovute alla turbolenza del flusso incidente) possano essere sufficientemente catturate da altri mezzi.
• S1: Effetti statici. È sufficiente rappresentare il modello strutturale con il necessario dettaglio meccanico, ma senza proprietà di massa e smorzamento.

Description

Questo esempio di validazione considera il flusso attorno a un cilindro circolare finito montato verticalmente su una piastra piana, in presenza di una velocità uniforme in ingresso, fornendo un caso di riferimento semplificato e ben controllato per le simulazioni CFD. Il cilindro ha un diametro D = 30 mm e un’altezza L = 180 mm ed è posizionato in un dominio simile a una galleria del vento, in cui il flusso in ingresso è allineato con la direzione del flusso principale (X), mentre Y e Z indicano rispettivamente le direzioni laterale e verticale. A differenza delle simulazioni dello strato limite atmosferico (ABL), la condizione al contorno di ingresso è definita come un profilo di velocità costante, U(z)=U_o, con una velocità del flusso indisturbato di 𝑈_o=10, il che significa che non è presente alcun taglio verticale né gradiente di velocità. Questa assunzione elimina la complessità associata allo sviluppo dello strato limite e consente un’indagine mirata della fisica fondamentale del flusso attorno al cilindro.

Alle condizioni di flusso date, il numero di Reynolds basato sul diametro del cilindro è approssimativamente 𝑅𝑒≈20,000, collocando il flusso in un regime subcritico in cui sono attesi il distacco e il vortex shedding. L’afflusso uniforme porta a una regione di stagnazione simmetrica nella parte anteriore del cilindro, seguita dal distacco del flusso lungo i lati e dalla formazione di una scia caratterizzata da ricircolo e distacco periodico di vortici (nelle simulazioni transitorie). L’interazione tra il cilindro e la piastra piana introduce ulteriore complessità attraverso gli effetti vicino alla parete e lo sviluppo di uno strato limite a terra, a seconda della risoluzione numerica e dell’approccio di trattamento della parete.

1 Configurazione Sperimentale e Sistema di Coordinate (mm)

Table 1: Input data of the circular cylinder

Computational Mesh Study

La Figura 2 presenta un’analisi di sensibilità della mesh di un modello cilindrico in RWIND. Il coefficiente di forza calcolato (C_f) diminuisce leggermente da 0.76 a una densità di mesh del 15% fino a 0.71 al 25%, e ulteriormente a 0.70 al 35%. Questa riduzione graduale indica che la soluzione si sta stabilizzando man mano che la mesh viene raffinata. La piccola variazione di C_f alle densità di mesh più elevate dimostra la convergenza complessiva, suggerendo che un ulteriore raffinamento ha solo un impatto minore sui risultati.

2 Analisi di sensibilità della mesh del modello cilindrico che mostra la convergenza del coefficiente di forza (Cf) all'aumentare della densità della mesh

Inoltre, lo studio della mesh computazionale deve essere eseguito secondo il seguente link:

• Studio computazionale della mesh

WTG-Merkblatt M3 Accuracy Requirement

Il WTG-Merkblatt M3 fornisce due metodi chiave per la validazione dei risultati di simulazione. 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 Normalized Mean Squared Error (e²) offre una valutazione più dettagliata dell’accuratezza quantificando la deviazione quadratica media tra i valori simulati e quelli di riferimento, normalizzata per tenere conto delle differenze di scala. Insieme, questi metodi forniscono misure sia qualitative sia quantitative per la validazione della simulazione.

• Validazione di risultati della simulazione usando il metodo del tasso di successo definito nel WTG-Merkblatt M3

• Valutazione dell'accuratezza dei risultati utilizzando l'errore quadratico medio normalizzato definito nella WTG-Merkblatt M3

Results and Discussion

La Figura 3 confronta il coefficiente di pressione medio (Cp) ottenuto da RWIND e dai dati sperimentali per diverse direzioni del vento. Entrambi mostrano un forte accordo nelle tendenze generali, inclusi la stagnazione a 0°, la caduta di pressione dovuta al distacco del flusso e il recupero a angoli maggiori. Il Cp minimo si verifica intorno a 60°–70° ed è ben previsto da RWIND. Tuttavia, RWIND sottostima leggermente la suzione nella regione di scia a direzioni del vento più elevate. Nel complesso, i risultati indicano una buona accuratezza globale con lievi deviazioni.

3 Coefficiente di pressione medio (Cp) rispetto alla direzione del vento

Il confronto tra RWIND e i coefficienti di pressione sperimentali mostra un ottimo accordo per direzioni del vento tra 0° e 100°, dove le deviazioni rimangono inferiori al 10% e tutti i punti dati soddisfano sia il criterio di hit rate del 10% sia quello del 20%. Le maggiori discrepanze si verificano nella regione di scia (110°–180°), dove RWIND sottostima sistematicamente la suzione, portando a deviazioni più elevate fino a circa il 43%.

Nel complesso, il 58% dei risultati rientra in un intervallo di deviazione del 10% (e 20%). Le metriche globali di errore (e² = 0.05, MAE = 0.12, RMSE = 0.16) indicano un’accuratezza predittiva accettabile, con la deviazione concentrata principalmente nella regione di flusso separato.

Table 2: Comparison of Pressure Coefficient (Cp) Between RWIND and Experimental Data

61x

9x

Esempio WTG 9.5 – Struttura cilindrica