Instrukcje online Aplikacja do analizy CFD

Powrót do Instrukcji online

84x

005985

mgr inż.

2025-03-10

Wybór ręczny

Przegląd

A. Informacje ogólne

B. Przepływy wiatru, wpływ wiatru i symulacja numeryczna

C. Wytyczna M3 do numerycznej symulacji przepływu wiatru

C1. Cel i treść Wytycznych
C2. Przypisanie zadania wymaganego modelowania CFD
- C2.1 Przypisanie metod obliczeń do wymagań dotyczących badań
- C2.2 Wymagania dla badań numerycznych

D. Uwagi na temat modelowania CFD

E. Praktyczne wykorzystanie wyników symulacji obliczeniowej mechaniki płynów

F. Dokumentacja

G. Zapewnienie jakości

H. Przykłady

I. Bibliografia

H1.4. Test warstwy granicznej atmosfery

Opis

Ten przykład opiera się na teście Warstwy Brzegowej Atmosferycznej (ABL) z dokumentu niemieckiej WTG: Arkusz informacyjny Komitetu 3 - Symulacja numeryczna przepływów wiatru, Rozdział 9.1 (zobacz odniesienia). Przed każdą symulacją numeryczną należy sprawdzić, czy warstwa brzegowa atmosferyczna, zdefiniowana na wlocie, osiąga konstrukcję poprzez testowanie jej rozwoju w pustym tunelu. Wpływa to nie tylko na rozkład prędkości, ale także na wielkości turbulentne. Test należy przeprowadzić zarówno dla obliczeń stacjonarnych (RANS), jak i przejściowych (URANS, LES). W poniższym artykule przedstawiono rozwój pola prędkości, pola energii kinetycznej turbulencji i pola współczynnika rozpraszania turbulencji dla czterech kategorii terenu I do IV zdefiniowanych w EN 1991-1-4. Użyto pionowo anizotropowej turbulencji zgodnie z Rozdziałem 6.3.1 oraz modelu turbulencji RANS k-ω SST.

Właściwości płynu	Lepkość kinematyczna	ν	1.500e-5	m²/s
Właściwości płynu	Gęstość	ρ	1.250	kg/m³
Tunel wiatrowy	Długość	D_x	800.000	m
	Szerokość	D_y	80.000	m
	Wysokość	D_z	300.000	m
Parametry obliczeniowe	Prędkość referencyjna	u_ref	20.000	m/s
	Referencyjna wysokość	z_ref	10.000	m
	Stała von Kármána	κ	0.410
	Stała lepkości turbulentnej	C_μ	0.090

Testowanie warstwy granicznej atmosfery przeprowadzone w tunelu aerodynamicznym bez jakichkolwiek przeszkód. Skupienie na badaniu przepływu powietrza.

Test warstwy granicznej atmosfery

Rozwiązanie analityczne

Rozwiązanie analityczne nie jest dostępne. Przykład dostarcza przegląd rozwoju wybranego pola ilości w pustym tunelu wiatrowym.

Profil prędkości wiatru obliczany jest z następującego równania:

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

z₀	Długość chropowatości

Profil prędkości wiatru

gdzie u_* jest prędkością tarcia, zdefiniowaną jako:

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

Prędkość tarcia

Profil turbulence k jest zdefiniowany zgodnie z następującym równaniem:

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

C_μ	Parametr modelu turbulencji

Profil turbulencji k

Profil turbulence ω jest obliczany zgodnie z następującym równaniem:

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

Profil turbulencji Omega

Ustawienia symulacji RWIND

Modelowany w RWIND 3.03.0220
Typ symulacji przepływu stacjonarnego
Gęstość siatki wynosi 28%: 2,482,465 komórek
Liczba warstw brzegowych tunelu wynosi 10
Wysokość pierwszej komórki na dnie wynosi 0.046 m
y+ w zakresie od 800 do 1,000
Model turbulencji RANS k-ω SST
Warunek brzegowy na wlocie - ABL v, k, ω zerowy gradient ciśnienia
Dno tunelu - warunek brzegowy bezślizgowy
Ściany tunelu i górna - warunek brzegowy oślizgowy
Warunek brzegowy na wylocie - zerowe ciśnienie; zerowy gradient prędkości

Wyniki

Metryka walidacyjna jest obliczana zgodnie z WTG: Arkusz informacyjny Komitetu 3 - Symulacja numeryczna przepływów wiatru, Rozdział 5.3.2 (zobacz odniesienia). Na początku obliczana jest wartość parametru wskaźnika trafień q dla wartości średniej współczynnika ciśnienia. Rozważane jest względne odchylenie 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

Metryka walidacji według WTG

Alternatywnie względny średni błąd kwadratowy e² może być również obliczany według następującego wzoru.

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

Postać odchylenia średniego błędu

Pożądane wartości parametru wskaźnika trafień q to więcej niż 90%, a względny średni błąd kwadratowy powinien być niższy niż 0.01. Z poniższej tabeli wynika, że porównanie prędkości wejściowej i prędkości w tunelu (x = 0 m) spełnia wymagania.

Kategoria terenu	q [%] dla 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

Poniższe wykresy przedstawiają rozwój prędkości, turbulentnej energii kinetycznej i współczynnika specyficznego rozpraszania w pustym tunelu wiatrowym.

Kategoria terenu I