Opis
Ten przypadek weryfikacji, oparty na dokumencie niemieckiego WTG: Karta informacyjna Komitetu 3 - Numeryczna symulacja przepływów wiatru, Rozdział 9.2 (zobacz odniesienia), porównuje obliczenia dynamiki płynów obliczeniowych współczynników ciśnienia wiatru z danymi eksperymentalnymi z bazy aerodynamicznej Uniwersytetu Tokijskiego (TPU) (zobacz odniesienia). Analiza skupia się na modelu budynku wysokościowego (stosunek 2:1:5). Dane z tunelu aerodynamicznego TPU - rygorystycznie zweryfikowane poprzez recenzowane badania i publicznie dostępne poprzez ich portal inżynierii wiatrowej - dostarczają metryki odniesienia do oceny dokładności modelowania turbulencji i efektów czułości siatki. Kluczowe parametry porównawcze obejmują średnie wartości współczynników ciśnienia w krytycznych strefach budynku (strona nawietrzna, boczne ściany, obszary separacji zawietrznej).
| 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 obliczeń | Prędkość referencyjna | uref | 22.000 | m/s |
| Wysokość referencyjna | zref | 10.000 | m | |
| Stała von Kármána | κ | 0.410 | ||
| Stała lepkości turbulencyjnej | Cμ | 0.090 | ||
| Długość szorstkości powierzchni aerodynamicznej | z0 | 1.000 | m |
Rozwiązanie analityczne
Rozwiązanie analityczne nie jest dostępne. Przykład prezentuje porównanie wyników symulacji RWIND CFD i danych eksperymentalnych (Baza aerodynamiczna TPU).
Profil prędkości wiatru obliczany jest na podstawie prawa potęgowego według następującego wzoru:
gdzie wykładnik profilu α definiowany jest jako
Intensywność turbulencji pochodzi z Bazy aerodynamicznej TPU zgodnie z następującym wykresem dla α=0.25.
Ustawienia symulacji RWIND
- Modelowany w RWIND 3.04
- Typ symulacji przepływu przejściowego
- Gęstość siatki wynosi 20% z uszczegółowieniami: 5,698,702 komórek
- Model DDES Spalart-Allmaras
- Warunki brzegowe wlotu - profil prędkości i profil intensywności turbulencji
- Dno tunelu - warunek brzegowy bez poślizgu
- Ściany i górna część tunelu - warunek brzegowy z poślizgiem
- Warunek brzegowy wylotu - zerowe ciśnienie; zerowy gradient prędkości
Wyniki
Metryka walidacji jest obliczana zgodnie z WTG: Karta informacyjna Komitetu 3 - Numeryczna symulacja przepływów wiatru, Rozdział 5.3.2 (zobacz odniesienia). Na początku oblicza się wartość parametru wskaźnika trafienia q dla średniej wartości współczynnika ciśnienia. Rozważa się względne odchylenie Wrel.
|
N |
Total number of data points |
|
ni |
Indicator function (1 if prediction is “correct”, 0 otherwise) |
|
Pi |
Predicted value |
|
Oi |
Reference value |
|
Wrel |
Allowed relative deviation |
Alternatywnie względny błąd średniokwadratowy e2 można także obliczyć według następującej formuły.
Pożądane wartości parametru wskaźnika trafienia q są większe niż 90%, a względny błąd średniokwadratowy powinien być niższy niż 0.01. Z poniższej tabeli wynika, że porównanie danych eksperymentalnych z TPU i wyników symulacji przepływu w RWIND nie spełnia wymogów.
| Powierzchnia | q [%] dla Wrel = 10 % | q [%] dla Wrel = 20 % | e2 [1] |
| Nawietrzna | 27.3 | 72.7 | 0.035 |
| Prawy bok | 0.0 | 9.1 | 0.114 |
| Lewy bok | 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 porównywane do średnich wartości z szeregów czasowych w punktach pomiarowych uzyskanych za pomocą Bazy aerodynamicznej TPU. Porównania wykonano na powierzchniach nawietrznej, prawej stronie, lewej stronie i zawietrznej budynku.
Wykresy pokazują bardzo dobre dopasowanie na powierzchni nawietrznej. Współczynniki ciśnienia wiatru mają kluczowe znaczenie dla obciążeń budynku, zwłaszcza na tej powierzchni. W przypadku innych powierzchni widać dobre dopasowanie trendu wyników symulacji do eksperymentu.
Uwaga: Dane eksperymentalne pokazane na wykresach są oparte na plikach danych pobranych z witryny TPU. Jednak wykresy pokazane na stronie TPU odpowiadają plikom danych tylko w przypadku powierzchni nawietrznej.
