Historia użytkownika
Ten przykład przedstawia dane eksperymentalne i numeryczne dla sił aerodynamicznych działających na przekroje poprzeczne pomostów mostowych [1]. Dane te są szeroko stosowane jako referencyjne wzorce do walidacji symulacji CFD oraz do oceny zachowania aeroelastycznego w zastosowaniach inżynierii wiatrowej. Opływ wokół przekrojów mostowych stanowi złożony problem aerodynamiczny obejmujący oderwanie przepływu, interakcję warstwy ścinanej i rozwój śladu aerodynamicznego. W zależności od geometrii i kąta natarcia mogą występować zarówno stacjonarne, jak i niestacjonarne efekty aerodynamiczne, w tym generowanie wirów, galopowanie i flatter.
W porównaniu do prostych ciał o kształtach nieopływowych, przekroje mostowe wykazują zachowanie przepływu silnie zależne od geometrii. Drobne szczegóły geometryczne (np. ostrość krawędzi, balustrady, owiewki) mogą znacząco wpływać na rozkład ciśnienia i współczynniki sił. Dlatego dokładne przewidywanie tych efektów jest szczególnie trudne dla symulacji numerycznych. Ten przykład jest zasadniczo powiązany z Grupą 4, ponieważ dotyczy zjawisk aeroelastycznych, w szczególności flatteru i zachowania oddziaływania płyn-struktura (FSI) przekrojów mostowych. Ponieważ jednak w pełni sprzężona dwukierunkowa symulacja FSI nie jest obecnie dostępna w RWIND, bezpośrednie odwzorowanie efektów aeroelastycznych nie jest możliwe.
W związku z tym przyjęto podejście uproszczone. W konsekwencji ten przykład jest traktowany w RWIND jako należący do Grupy 1, zgodnie z Rysunek 2.2 w WTG-Merkblatt M3, na podstawie oceny średniej prędkości wiatru i odpowiadających jej uśrednionych wielkości aerodynamicznych:
- G1: Wartości jakościowe o niskich wymaganiach dotyczących dokładności do wykorzystania w podstawowym badaniu lub projekcie wstępnym. Nakład pracy i wymagania dotyczące poziomu szczegółowości są zmniejszone, ponieważ często nie wszystkie warunki brzegowe są w pełni wyjaśnione.
- R1: Pojedynczy (bez otaczających budynków), analiza pojedynczych ważnych kierunków wiatru.
- Z1: Statystyczne wartości średnie, pod warunkiem że dotyczą stacjonarnych procesów przepływu, w których fluktuacje (np. spowodowane turbulencją napływającego strumienia) mogą być wystarczająco uchwycone za pomocą innych środków.
- S1: Efekty statyczne. Wystarczające jest odwzorowanie modelu konstrukcyjnego z niezbędną szczegółowością mechaniczną, ale bez właściwości masowych i tłumiących.
Opis
Badany przypadek koncentruje się na zachowaniu aerodynamicznym przekroju poprzecznego pomostu mostowego poddanego stacjonarnemu przepływowi napływającemu pod różnymi kątami natarcia. Głównym celem tego badania jest określenie stacjonarnych współczynników sił aerodynamicznych, ze szczególnym uwzględnieniem współczynnika oporu CD. Na podstawie stacjonarnych symulacji CFD oceniana jest średnia siła oporu działająca na przekrój, a następnie jest ona ubezwymiarowiana przy użyciu referencyjnego ciśnienia dynamicznego i wymiarów charakterystycznych. Umożliwia to obliczenie CD i pozwala na spójne porównanie z danymi eksperymentalnymi, a także na jego zastosowanie w projektowaniu konstrukcyjnym.
Oprócz współczynnika oporu, inne globalne współczynniki, takie jak siła nośna CL i moment CM, mogą być również oceniane w celu zapewnienia pełniejszej charakterystyki aerodynamicznej pomostu mostowego. Jednak główny nacisk pozostaje na dokładnym przewidywaniu CD jako kluczowego parametru dla obciążenia wzdłużnego kierunku wiatru.
|
B |
Szerokość konstrukcji |
|
Lb |
Długość konstrukcji |
|
U |
Prędkość wiatru |
Punktem wyjścia jest ciśnienie dynamiczne wiatru, zdefiniowane jako qo=1/2 ρU2, gdzie ρ to gęstość powietrza, a U to średnia prędkość wiatru. Wielkość ta reprezentuje energię kinetyczną przepływu powietrza na jednostkę objętości i służy jako odniesienie dla wszystkich obciążeń aerodynamicznych.
Tabela 1: Dane wejściowe przekrojów mostowych
| Parametr | Symbol | Wartość | Jednostka |
|---|---|---|---|
| Prędkość swobodnego strumienia | u | 8.2 | m/s |
| Wysokość odniesienia | Href | 180 | mm |
| Gęstość powietrza – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m³ |
| Model turbulencji – RWIND | RANS K-Omega | - | - |
| Lepkość kinematyczna – RWIND | ν | 1.5×10⁻⁵ | m²/s |
| Rząd schematu – RWIND | Drugi | - | - |
| Docelowa wartość residuum – RWIND | 10⁻⁴ | - | - |
| Typ residuum – RWIND | Ciśnienie | - | - |
| Minimalna liczba iteracji – RWIND | 800 | - | - |
| Warstwa przyścienna – RWIND | NL | 10 | - |
| Typ funkcji ściany – RWIND | Standardowa | - | - |
Badanie siatki obliczeniowej
Rysunek 2 przedstawia analizę wrażliwości siatki dla modelu cylindrycznego w RWIND. Obliczony współczynnik siły (Cf) maleje nieznacznie z 0.76 przy gęstości siatki 15% do 0.71 przy 25% i dalej do 0.70 przy 35%. Ta stopniowa redukcja wskazuje, że rozwiązanie stabilizuje się w miarę zagęszczania siatki. Niewielka zmiana Cf przy wyższych gęstościach siatki wykazuje ogólną zbieżność, co sugeruje, że dalsze zagęszczanie ma jedynie niewielki wpływ na wyniki.
Ponadto badanie siatki obliczeniowej należy przeprowadzić zgodnie z poniższym linkiem:
Wymagania dokładnościowe WTG-Merkblatt M3
WTG-Merkblatt M3 zapewnia dwie kluczowe metody walidacji wyników symulacji. Metoda Współczynnika Trafień (Hit Rate) ocenia, ile z symulowanych wartości Pi poprawnie pasuje do wartości referencyjnych Oi w ramach zdefiniowanej tolerancji, stosując podejście klasyfikacji binarnej (trafienie lub pudło). Podejście to ocenia wiarygodność symulacji poprzez obliczenie współczynnika trafień q, podobnie do funkcji niezawodności stosowanych w teorii niezawodności. Natomiast metoda Znormalizowanego Błędu Średniokwadratowego (e2) oferuje bardziej szczegółową ocenę dokładności poprzez kwantyfikację średniego kwadratowego odchylenia między wartościami symulowanymi a referencyjnymi, znormalizowanego w celu uwzględnienia różnic skali. Łącznie metody te zapewniają zarówno jakościowe, jak i ilościowe miary do walidacji symulacji.
Wyniki i dyskusja
Rysunek 3 ilustruje rozkład ciśnienia na powierzchni i zintegrowane siły aerodynamiczne na dwuwymiarowej kwadratowej płycie. Symulacja jest przeprowadzana przy prędkości swobodnego strumienia 8.2 m/s, a zakres ciśnień wynosi od +32.1 Pa do −45.4 Pa, podkreślając obszary nadciśnienia i podciśnienia. Okno informacyjne porównuje wyniki oryginalnej geometrii CAD z wynikami modelu obliczeniowego, podając siłę wypadkową 4.8 N wraz z jej składowymi sił i odpowiadającym im środkiem parcia. Ten przykład demonstruje zdolność RWIND do dokładnego obliczania rozkładów ciśnienia, całkowania obciążeń aerodynamicznych i określania środka parcia w celach walidacji i przenoszenia obciążeń konstrukcyjnych. Zintegrowane obciążenia aerodynamiczne uzyskane z modelu obliczeniowego dają całkowitą siłę 4.8 N, w tym siłę oporu 2.0 N, która jest używana do obliczenia współczynnika oporu CD = 0.073 na podstawie pola odniesienia 0.648 m². Ponadto obliczony środek parcia podaje położenie wypadkowej siły aerodynamicznej działającej na model. Łącznie wyniki te demonstrują spójność rozkładu ciśnienia, zintegrowanego obliczania sił i oceny współczynnika aerodynamicznego użytych do celów walidacji.
Tabela 2 porównuje współczynniki oporu uzyskane z pomiarów eksperymentalnych i RWIND dla pięciu kątów natarcia. Dla każdego przypadku podano bezwzględną różnicę (Pi − Oi), odchylenie procentowe oraz zgodność z kryteriami akceptacji ±10% i ±20%. Wyniki pokazują doskonałą zgodność przy −10° i 10°, z odchyleniami odpowiednio 5.30% i 2.56%. Większe rozbieżności obserwuje się przy −5° i 5°, podczas gdy przypadek 0° pozostaje w obrębie kryterium akceptacji ±20%. Ogółem 40% przypadków spełnia kryterium ±10%, podczas gdy 60% spełnia kryterium ±20%.
Tabela 2: Porównanie współczynnika oporu (CD) między RWIND a danymi eksperymentalnymi
| Kąt | CD – Eksperymentalny (Oi) | CD – RWIND (Pi) | Pi-Oi | Odchylenie (%) | Współczynnik trafień ≤10% | Współczynnik trafień ≤20% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| -10 | 0.132 | 0.125 | -0.007 | 5.30 | 🟢 | 🟢 |
| -5 | 0.102 | 0.062 | -0.040 | 39.22 | 🔴 | 🔴 |
| 0 | 0.088 | 0.073 | -0.015 | 17.05 | 🔴 | 🟢 |
| 5 | 0.099 | 0.062 | -0.037 | 37.37 | 🔴 | 🔴 |
| 10 | 0.117 | 0.114 | -0.003 | 2.56 | 🟢 | 🟢 |
Tabela 3 podsumowuje wskaźniki statystyczne użyte do oceny zgodności między przewidywaniami RWIND a eksperymentalnymi danymi referencyjnymi. Walidacja opiera się na 5 punktach danych, co daje Współczynnik Trafień 40% w zakresie odchylenia ±10% i 60% w zakresie ±20%. Całkowity błąd przewidywania jest kwantyfikowany przez Znormalizowany Błąd Średniokwadratowy (NMSE) wynoszący 0.00093, Błąd Średni (ME) wynoszący −0.0204, wskazujący na niewielkie ogólne niedoszacowanie przez RWIND, Średni Błąd Bezwzględny (MAE) wynoszący 0.0204 oraz Pierwiastek Błędu Średniokwadratowego (RMSE) wynoszący 0.0254. Te metryki zapewniają ogólną ocenę dokładności predykcyjnej i obciążenia modelu CFD w stosunku do pomiarów eksperymentalnych.
Tabela 3. Statystyczne miary wydajności walidacji RWIND
| Metryka | Wartość |
|---|---|
| Liczba punktów danych (N) | 5 |
| Współczynnik Trafień (10%) | 40% |
| Współczynnik Trafień (20%) | 60% |
| Znormalizowany Błąd Średniokwadratowy, e² | 0.0551 |
| Błąd Średni (ME) | -0.0204 |
| Średni Błąd Bezwzględny (MAE) | 0.0204 |
| Pierwiastek Błędu Średniokwadratowego (RMSE) | 0.0254 |
Rysunek 4 porównuje współczynnik oporu (CD) uzyskany z pomiarów eksperymentalnych i symulacji RWIND dla kątów natarcia między −10° a +10°. Oba zestawy danych wykazują podobny trend w kształcie litery U, z minimalnym oporem występującym przy 0°. RWIND z powodzeniem odtwarza ogólne zachowanie aerodynamiczne, ale konsekwentnie nie doszacowuje współczynnika oporu, szczególnie przy pośrednich kątach (±5°), wykazując jednocześnie dobrą zgodność przy skrajnych kątach (±10°). Ogólnie rzecz biorąc, wyniki wskazują, że RWIND wiarygodnie przewiduje jakościowy trend zmian oporu w funkcji kąta natarcia, chociaż dalsze ulepszenia modelowania turbulencji i warstwy przyściennej mogłyby zwiększyć jego dokładność ilościową.
