103x

2024-11-13

VE0309 | Test dello strato limite atmosferico

Descrizione

Questo esempio si basa sul test dello strato limite atmosferico (ABL) 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 arrivi alla struttura testando il suo sviluppo in un tunnel vuoto. Questo non riguarda solo la distribuzione delle velocità, ma anche le quantità turbolente. Il test deve essere eseguito sia per i calcoli stazionari (RANS) che per quelli transitori (URANS, LES). Nell'articolo seguente, è mostrato lo sviluppo di un campo di velocità, campo di energia cinetica turbolenta e campo di tasso di dissipazione turbolenta per le quattro categorie di terreno da I a IV definite nella EN 1991-1-4. Viene utilizzata una turbolenza anizotropica verticale secondo il Capitolo 6.3.1 e il modello di turbolenza 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 Turbolenta	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 delle quantità selezionate 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 flusso stazionario
Densità della mesh è del 28%: 2.482.465 celle
Numero di strati di confine 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 di ingresso - ABL v, k, ω; gradiente di pressione zero
Fondo del tunnel - condizione al contorno no-slip
Pareti e parte superiore del tunnel - condizione al contorno slip
Condizione al contorno di 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). In primo luogo, viene calcolato il valore del parametro di 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 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 desiderarti del parametro di tasso di successo q sono superiori al 90% e l'errore quadratico medio relativo dovrebbe essere inferiore a 0,01. Dalla seguente tabella, 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]
TC I	93.2	0.0007
TC II	93.2	0.0001
TC III	97.7	0.00001
TC IV	100.0	0.00001

I seguenti grafici presentano lo sviluppo della velocità, energia cinetica turbolenta e tasso di dissipazione specifica in una galleria del vento vuota.

Categoria di terreno I