User Story
W tym przykładzie obliczymy uśredniony współczynnik ciśnienia wiatru (Cp), który należy do Grupy 2, zgodnie z Rysunkiem 2.2 w WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Wartości bezwzględne ze średnimi wymaganiami dotyczącymi dokładności. Obszar zastosowania może obejmować parametry lub badania wstępne, gdy planowane są późniejsze badania o wyższej dokładności (np. badanie w tunelu aerodynamicznym klasy G3).
- R2: Pojedynczy, wszystkie istotne kierunki wiatru z wystarczająco dokładną rozdzielczością kierunkową.
- Z2: Statystyczne wartości średnie i odchylenia standardowe, pod warunkiem, że dotyczą stacjonarnych procesów przepływu, dla których wystarczająca jest statystyczna weryfikacja fluktuacji za pomocą współczynnika szczytowego.
- S1: Efekty statyczne. Są one wystarczające do odwzorowania modelu konstrukcyjnego z niezbędną szczegółowością mechaniczną, ale bez właściwości masowych i tłumiących.
Opis
Ten przypadek weryfikacyjny, oparty na dokumencie niemieckiego WTG: Karta informacyjna Komitetu 3 - Numeryczna symulacja przepływów wiatru, Rozdział 9.2 (patrz odniesienia), porównuje obliczenia numerycznej mechaniki płynów współczynników ciśnienia wiatru z danymi eksperymentalnymi z aerodynamicznej bazy danych Tokyo Polytechnic University (TPU) (patrz odniesienia). Analiza koncentruje się na modelu budynku wysokiego (stosunek 2:1:5). Dane z tunelu aerodynamicznego TPU z warstwą przyścienną – rygorystycznie zweryfikowane w recenzowanych badaniach i publicznie dostępne za pośrednictwem ich portalu inżynierii wiatrowej – dostarczają wartości referencyjnych do oceny dokładności modelowania turbulencji i efektów wrażliwości siatki. Kluczowe parametry porównawcze obejmują średnie wartości współczynników ciśnienia w krytycznych strefach budynku (ściana nawietrzna, ściany boczne, obszary oderwania po stronie 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 obliczeniowe | Prędkość referencyjna | uref | 22.000 | m/s |
| Wysokość referencyjna | zref | 10.000 | m | |
| Stała von Kármána | κ | 0.410 | ||
| Stała lepkości turbulentnej | Cμ | 0.090 | ||
| Aerodynamiczna długość chropowatości | z0 | 1.000 | m |
Rozwiązanie analityczne
Rozwiązanie analityczne nie jest dostępne. Przykład zapewnia porównanie wyników symulacji CFD RWIND i danych eksperymentalnych (Aerodynamiczna baza danych TPU).
Profil prędkości wiatru jest obliczany z prawa potęgowego zgodnie z następującym wzorem:
gdzie wykładnik profilu α jest zdefiniowany jako
Intensywność turbulencji jest pobierana z aerodynamicznej bazy danych TPU zgodnie z poniższym wykresem dla α=0.25.
Ustawienia symulacji RWIND
- Modelowane w RWIND 3.04
- Typ symulacji przepływu nieustalonego
- Gęstość siatki wynosi 20% z zagęszczeniami: 5 698 702 komórek
- Model Spalart-Allmaras DDES
- Warunek brzegowy na wlocie - profil prędkości i profil intensywności turbulencji
- Dno tunelu - warunek brzegowy bez poślizgu
- Ściany i góra tunelu - warunek brzegowy z poślizgiem
- Warunek brzegowy na wylocie - zerowe ciśnienie; zerowy gradient prędkości
Wymagania dokładności WTG-Merkblatt M3
WTG-Merkblatt M3 dostarcza dwie kluczowe metody walidacji wyników symulacji. Metoda Współczynnika trafień (q) ocenia, ile symulowanych wartości Pi poprawnie odpowiada wartościom referencyjnym Oi w zdefiniowanym zakresie tolerancji, stosując binarne podejście klasyfikacyjne (trafienie lub chybienie). Podejście to ocenia niezawodność symulacji poprzez obliczenie współczynnika trafień q, podobnie jak funkcje ufności stosowane w teorii niezawodności. W przeciwieństwie do tego, 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. Razem metody te zapewniają zarówno jakościowe, jak i ilościowe miary do walidacji symulacji.
Wyniki
Pożądane wartości parametru współczynnika trafień q wynoszą ponad 90%, a względny błąd średniokwadratowy powinien być niższy niż 0,01. Z poniższej tabeli jasno 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 |
| Prawa boczna | 0.0 | 9.1 | 0.114 |
| Lewa boczna | 27.3 | 45.5 | 0.121 |
| Zawietrzna | 0.0 | 0.0 | 0.118 |
Na poniższych wykresach średnie współczynniki ciśnienia wiatru uzyskane za pomocą symulacji RWIND są porównywane ze średnimi wartościami z szeregów czasowych w punktach testowych zmierzonych za pomocą aerodynamicznej bazy danych TPU. Porównania przeprowadzono na powierzchniach nawietrznej, prawej bocznej, lewej bocznej i zawietrznej budynku.
Wykresy pokazują bardzo dobrą zgodność na powierzchni nawietrznej. Współczynniki ciśnienia wiatru mają kluczowe znaczenie dla obciążeń budynku, szczególnie na tej powierzchni. W przypadku innych powierzchni widoczna jest dobra zgodność między trendem wyników symulacji a eksperymentem.
Uwaga: Dane eksperymentalne pokazane na wykresach są wykreślone na podstawie plików danych uzyskanych ze strony internetowej TPU. Jednak wykresy pokazane na stronie TPU pasują do plików danych tylko w przypadku powierzchni nawietrznej.
