Historyjka użytkownika
W tym przykładzie zamierzamy obliczyć średni współczynnik siły i momentu dla Tokyo Polytechnic University (TPU) jako przykład doświadczalny (M0/S0), taki jak te mające zastosowanie w procesie projektowania konstrukcji w oparciu o WTG-Merkblatt-M3.
Ta część wyników należy do Grupy 1 zgodnie z Figurą 2.2 w WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Wartości absolutne z medium wymaganymi dokładnościami. Obszar zastosowania może obejmować parametry lub wstępne badania, gdy planowane są późniejsze badania o większej dokładności (np. badanie tunelowe klasy G3).
- R2: Solitarność, wszystkie istotne kierunki wiatru z wystarczająco drobną rozdzielczością kierunkową.
- Z1: Wartości średnie statystyczne, pod warunkiem, że dotyczą stacjonarnych procesów przepływowych, gdzie fluktuacje (np. ze względu na turbulencję zbliżającego się strumienia) mogą być wystarczająco uchwycone przez inne środki.
- S1: Efekty statyczne. Wystarczy przedstawić model konstrukcyjny z niezbędnymi szczegółami mechanicznymi, ale bez właściwości masy i tłumienia.
Opis
Dzięki badaniu aerodynamicznego zachowania na różnych płaszczyznach, to porównanie ma na celu dostarczenie bardziej kompleksowego zrozumienia rozkładu siły. Takie wglądy są kluczowe dla oceny ogólnej stabilności modelu, wydajności aerodynamicznej i reakcji strukturalnej w warunkach przepływu. Średnia prędkość i intensywność turbulencji profil wlotowy odtworzony w tunelu wiatrowym odpowiadają tym z Kategorii Terenu IV zgodnie ze standardem Instytutu Architektury Japonii (AIJ). Wykładnik 0,25 cytowany w niektórych figurach został sklasyfikowany jako błąd typograficzny po zapytaniu. Zakładany model pokazano na Obrazie 1:
Założenia leżące u podstaw analizy i symulacji są podsumowane w Tabeli 1, zapewniając jasny przegląd parametrów i warunków uwzględnianych w całym badaniu.:
Tabela 1: Dane wejściowe modelu 3D prostokątnego
| Parametr | Symbol | Wartość | Jednostka |
|---|---|---|---|
| Wartość Referencyjna Prędkości Wiatru | UH | 11 | m/s |
| Wysokość Dachu | Href | 0.4 | m |
| Wykładnik Profilu | α | 0.25 | - |
| Kategoria Terenu | - | IV | - |
| Gęstość Powietrza – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m³ |
| Model Turbulencji – RWIND | RANS K-Omega | - | - |
| Lepkość Kinematyczna – RWIND | ν | 1.5×10⁻⁵ | m²/s |
| Schemat Kolejności – RWIND | Drugi | - | - |
| Wartość Docelowa Reszty – RWIND | 10⁻⁴ | - | - |
| Typ Reszty – RWIND | Ciśnienie | - | - |
| Minimalna Liczba Iteracji – RWIND | 800 | - | - |
| Warstwa Graniczna – RWIND | NL | 10 | - |
| Typ Funkcji Ściany – RWIND | Enhanced / Blended | - | - |
Studium Sieci Obliczeniowej
Obraz 2 podsumowuje badanie wrażliwości siatki, pokazując, że gdy gęstość siatki wzrasta od 20% do 55%, współczynnik siły (Cf) wzrasta od 0,95 do 1,05, a następnie stabilizuje się. Wskazuje to, że symulacja osiąga niezależność siatki przy 55%, co oznacza, że dalsze udoskonalenia nie zmieniają znacząco wyników. Obraz podkreśla znaczenie jakości siatki w zapewnieniu wiarygodnych wyników symulacji wiatrowych.
Ponadto konieczne jest przeprowadzenie badania siatki obliczeniowej zgodnie z następującym łączem:
Obraz 3 przedstawia diagram porównujący wyniki RWIND z danymi eksperymentalnymi, dotyczący wykresów znormalizowanych profili prędkości wiatru względem wysokości. Wyniki wykazują bardzo dobrą zgodność.
Wymagania dotyczące dokładności WTG-Merkblatt
WTG-Merkblatt M3 dostarcza dwie kluczowe metody walidacji wyników symulacji. Metoda Hit Rate ocenia, ile z symulowanych wartości Pi jest zgodnych z wartościami referencyjnymi Oi w określonej tolerancji, stosując podejście binarne (trafienie lub nietrafienie). To podejście ocenia niezawodność symulacji poprzez obliczenie współczynnika trafień q, podobnego do funkcji zaufania używanych w teorii niezawodności. W przeciwieństwie do tego, metoda Znormalizowanego Średniego Kwadratu Błędu (e2) oferuje bardziej szczegółową ocenę dokładności, kwantyfikując średnią kwadratową odchylenia między wartościami symulowanymi i referencyjnymi, znormalizowaną w celu uwzględnienia różnic skali. Wspólnie te metody dostarczają zarówno jakościowych, jak i ilościowych miar walidacji symulacji.
Wyniki i Dyskusja
Tabela 3 pokazuje bardzo dobrą zgodność w metryce walidacyjnej między wynikami RWIND a danymi referencyjnymi WTG dla znormalizowanych wartości prędkości. Wszystkie odchylenia mieszczą się w akceptowalnym zakresie (poniżej 10%), więc współczynnik trafień wynosi q = 100%, a znormalizowany średni kwadrat błędu e2 = 0.00001 jest niezwykle niski. Wyniki te potwierdzają, że RWIND dokładnie odtwarza referencyjny profil wiatru i spełnia rygorystyczne kryteria walidacji.
Tabela 3: Metryka Walidacji dla Profilu Prędkości
| WTG - u / uref | RWIND - u / uref | Odchylenie (%) | 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 |
Obraz 4 ilustruje, jak w RWIND definiowane są strefy powierzchniowe do dokładnego obliczania współczynników sił na każdej powierzchni modelu budynku wystawionego na wiatr. Model 3D, o prostej prostokątnej formie, ma każdą powierzchnię przednią, tylną, lewą, prawą i górną przypisaną do oddzielnej strefy kolorystycznej. Strefy te umożliwiają RWIND oddzielną analizę i obliczanie aerodynamicznych sił i rozkładu ciśnienia niezależnie dla każdej powierzchni. Zamiast umieszczania licznych sond punktowych, wybraliśmy zdefiniowanie stref powierzchniowych, ponieważ RWIND może bezpośrednio określić współczynnik siły dla każdej zdefiniowanej strefy.
W centrum Obrazu 4 otwarte jest okno "Edytuj Strefę" dla Strefy nr 2 – Przód jako przykład. To szczegółowe wyjście zawiera kluczowe parametry aerodynamiczne. Powierzchnia projekcji tej strefy w kierunku wiatru wynosi 0.04 m². Obliczona siła oporu na tej powierzchni wynosi 1.7 N, a odpowiadający jej współczynnik siły (Cx) wynosi 0.56. W poniższym wzorze współczynnik siły wiatru (współczynnik siły aerodynamicznej) dla specyficznej strefy ciśnienia jest obliczany jako przykład. Wartość ta może być następnie porównana z wartością wyświetlaną w zakładce Info w oknie dialogowym Edytuj Dane Modelu.
Obraz 5 pokazuje wyniki postprocesingu symulacji wiatru przeprowadzonej dla budynku wysokościowego z użyciem modelu turbulencji k-omega. Po prawej stronie obrazu tabela porównawcza wyświetla współczynniki sił uzyskane z symulacji CFD obok wartości odniesienia z wytycznych WTG. Powierzchnia przednia ma współczynnik siły wynoszący 0.562, w porównaniu do wartości odniesienia WTG wynoszącej 0.540, co odpowiada odchyleniu 4.07%. Powierzchnia tylna, która jest poddawana ujemnemu ciśnieniu ze względu na efekty śladowe, wykazuje nieco większe odchylenie wynoszące 6.09%. Powierzchnie boczne również wykazują niewielkie różnice, z odchyleniami w zakresie 3.68% do 5.38%. Zauważalnie, całkowity współczynnik siły w kierunku wiatru reprezentujący globalny efekt oporu wykazuje tylko 1.95% odchylenie, podkreślając dokładność i niezawodność symulacji CFD w uchwyceniu ogólnego zachowania aerodynamicznego struktury.
Faktyczne wartości sił w niutonach dla każdej powierzchni budynku są wyświetlane poniżej tej tabeli. Powierzchnia przednia jest poddawana dodatniej sile oporu wynoszącej 1.7 N, podczas gdy powierzchnie tylna, prawa i lewa doświadczają sił ujemnych z powodu ssania i bocznego oporu. Całkowita siła w kierunku wiatru wynosi 3.2 N, co odpowiada globalnemu wynikowi siły podanemu w podsumowaniu siatki. Symulacja używała referencyjnej prędkości wiatru 11 m/s i powierzchni 0.04 m².
Tabela 4 pokazuje, że RWIND dokładnie odwzorowuje referencyjne WTG średnie współczynniki sił na wszystkich powierzchniach, z odchyleniami w zakresie od 1.95% do 6.09% i q=100% jako współczynnik trafień. Niskie znormalizowane średnie kwadratu błędu e2=0.0015 potwierdza silną zgodność między symulacją a pomiarami, skutecznie spełniając standardy walidacyjne.
Tabela 4: Metryka Walidacji dla Średnich Współczynników Sił Pomiędzy WTG i RWIND
| Współczynnik Siły | Cf,mean – WTG | Cf – RWIND – k-omega | Odchylenie (%) | n |
|---|---|---|---|---|
| Powierzchnia przednia | 0.540 | 0.562 | 4.07 | 1.00 |
| Powierzchnia tylna | –0.528 | –0.496 | 6.09 | 1.00 |
| Powierzchnia po prawej stronie | –0.829 | –0.860 | 3.68 | 1.00 |
| Powierzchnia po lewej stronie | –0.847 | –0.893 | 5.38 | 1.00 |
| Całkowita siła w kierunku wiatru | 1.070 | 1.058 | 1.95 | 1.00 |
| Całkowita siła w kierunku bocznym | 0.018 | 0.020 | 10.00 | 1.00 |
| Moment w kierunku wiatru | 0.582 | 0.520 | 10.65 | 1.00 |
| Moment w kierunku bocznym | 0.010 | 0.0099 | 1.00 | 1.00 |
