User Story
W tym przykładzie obliczymy średni współczynnik ciśnienia wiatru (Cp), który należy do Grupy 2, zgodnie z rysunkiem 2.2 w WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Wartości bezwzględne z wymaganiami co do średniej dokładności. Obszar zastosowania może obejmować parametry lub badania wstępne, gdy planowane są późniejsze badania o wyższej dokładności (np. badanie tunelowe klasy G3).
- R2: Samotne, wszystkie odpowiednie kierunki wiatru z wystarczająco drobną rozdzielczością kierunkową.
- Z2: Średnie wartości statystyczne i odchylenia standardowe, pod warunkiem, że dotyczą one stacjonarnych procesów przepływu, dla których wystarczające jest statystyczne potwierdzenie wahań współczynnikiem szczytowym.
- S1: Efekty statyczne. Są wystarczające, aby przedstawić model strukturalny z niezbędnymi detalami mechanicznymi, ale bez właściwości masy i tłumienia.
Description
Ten przypadek weryfikacyjny, oparty na dokumencie niemieckiego WTG: Arkusz informacyjny Komitetu 3 - Symulacja numeryczna przepływów powietrza, Rozdział 9.2 (zobacz odniesienia), porównuje obliczenia dynamiki płynów współczynników ciśnienia wiatru z danymi eksperymentalnymi z bazy aerodynamicznej Uniwersytetu Tokijskiego (TPU) (zobacz odniesienia). Analiza koncentruje się na modelu wieżowca (stosunek 2:1:5). Dane z tunelu aerodynamicznego TPU – rygorystycznie zweryfikowane przez recenzowane badania i publicznie dostępne poprzez portal inżynierii wiatrowej – dostarczają metryk referencyjnych do oceny dokładności modelowania turbulencji i efektów wrażliwości siatki. Kluczowe parametry porównawcze obejmują średnie wartości współczynników ciśnienia w krytycznych strefach budynku (środkowa strona nawietrzna, ściany boczne, obszary rozdzielenia zawietrzne).
| Właściwości płynu | Lepkość kinematyczna | ν | 1.500e-5 | m2/s |
| Gęstość | ρ | 1.250 | kg/m3 | |
| Tunel aerodynamiczny | Długość | Dx | 2720.000 | m |
| Szerokość | Dy | 900.000 | m | |
| Wysokość | Dz | 720.000 | m | |
| Budynek | Szerokość | B | 80.000 | m |
| Głębokość | D | 40.000 | m | |
| Wysokość | H | 200.000 | m | |
| Parametry obliczeniowe | Prędkość odniesienia | uref | 22.000 | m/s |
| Wysokość odniesienia | zref | 10.000 | m | |
| Stała von Kármána | κ | 0.410 | ||
| Stała lepkości turbulencyjnej | Cμ | 0.090 | ||
| Długość szorstkości aerodynamicznej powierzchni | z0 | 1.000 | m |
Analytical Solution
Brak dostępnego rozwiązania analitycznego. Przykład dostarcza porównanie wyników symulacji CFD RWIND i danych eksperymentalnych (baza aerodynamiczna TPU).
Profil prędkości wiatru jest obliczany z Prawa Potęgi zgodnie z następującym wzorem:
gdzie wykładnik profilu α jest zdefiniowany jako
Intensywność turbulencji jest pobierana z bazy aerodynamicznej TPU zgodnie z następującym wykresem dla α=0.25.
RWIND Simulation Settings
- Modelowany w RWIND 3.04
- Typ symulacji przepływu nietrwałego
- Gęstość siatki wynosi 20% z uszczelnieniami: 5,698,702 komórek
- Model Spalart-Allmaras DDES
- Warunek brzegowy wlotu - profil prędkości i profil intensywności turbulencji
- Dno tunelu - warunek brzegowy bezpoślizgowy
- Ściany i góra tunelu - warunek brzegowy poślizgowy
- Warunek brzegowy wylotu - zerowe ciśnienie; zerowy gradient prędkości
Wymagania dokładności WTG-Merkblatt M3
WTG-Merkblatt M3 dostarcza dwóch kluczowych metod do walidacji wyników symulacji. Metoda Wskaźnik Trafności (q) ocenia, ile z symulowanych wartości Pi poprawnie odpowiada wartościom referencyjnym Oi w zdefiniowanej tolerancji, używając podejścia binarnej klasyfikacji (trafienie lub chybienie). To podejście ocenia wiarygodność symulacji poprzez obliczenie wskaźnika trafności q, podobnego do funkcji ufności używanych w teorii niezawodności. W przeciwieństwie do tego, metoda Znormalizowany Średni Kwadratowy Błąd (e2) oferuje bardziej szczegółową ocenę dokładności, poprzez wyrażenie średniej kwadratowej odchyłki między wartościami symulowanymi a referencyjnymi, znormalizowanej dzięki różnicom skali. Razem te metody dostarczają zarówno jakościowe, jak i ilościowe miary do walidacji symulacji.
Wyniki
Pożądane wartości parametru wskaźnika trafności q są większe niż 90%, a względny średni błąd powinien być niższy niż 0,01. Z poniższej tabeli wynika, że porównanie danych eksperymentalnych z TPU z wynikami symulacji przepływu w RWIND nie spełnia wymagań.
| Powierzchnia | q [%] dla Wrel = 10% | q [%] dla Wrel = 20% | e2 [1] |
| Nawietrzna | 27.3 | 72.7 | 0.035 |
| Prawo Boczna | 0.0 | 9.1 | 0.114 |
| Lewo Boczna | 27.3 | 45.5 | 0.121 |
| Zawietrzna | 0.0 | 0.0 | 0.118 |
Na poniższych wykresach, średnie współczynniki ciśnienia wiatru uzyskane w wyniku symulacji RWIND są porównane do wartości średnich z serii czasowych w punktach pomiarowych uzyskanych za pomocą bazy aerodynamicznej TPU. Porównania przeprowadzono na powierzchniach nawietrznej, prawostronnej, lewostronnej i zawietrznej budynku.
Wykresy pokazują bardzo dobrą zgodność na powierzchni nawietrznej. Współczynniki ciśnienia wiatru są kluczowe dla obciążeń budowlanych, zwłaszcza na tej powierzchni. W przypadku innych powierzchni, widoczna jest dobra zgoda między trendem wyników symulacyjnych a eksperymentem.
Uwaga: Dane eksperymentalne pokazane na wykresach są przedstawione na podstawie plików danych uzyskanych z strony TPU. Jednak wykresy pokazane na stronie TPU pasują do plików danych tylko w przypadku powierzchni nawietrznej.
