RFEM i RWIND są używane do generowania modelu rozciąganej membranowej konstrukcji, aby możliwe było rozpoczęcie symulacji wiatru, wraz z wdrożeniem ważnych kryteriów. RWIND to potężne narzędzie do tworzenia obciążeń wiatrem na ogólnych strukturach oraz skomplikowanych formach. CFD solver to program OpenFOAM® (wersja 17.10), który daje bardzo dobre wyniki i jest powszechnie używanym narzędziem do symulacji CFD. Solver numeryczny jest w stanie ustalonym dla nieściśliwego, turbulentnego przepływu, używając algorytmu SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations).
Obciążenia wiatrem są regulowane przez konkretne normy, takie jak EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7-16, czy NBC 2015. RFEM to dobrze wyposażone techniczne oprogramowanie do tworzenia rozciąganych struktur membranowych; uwzględnia nieliniową analizę form-poszukiwania dla powierzchni o podwójnej krzywiźnie. Obraz 02 przedstawia schemat przepływu numerycznego i modelowanie MES do realizacji przykładu weryfikacji w odniesieniu do rozciąganych struktur membranowych.
Aby numerycznie określić równania różniczkowe cząstkowe, wszystkie wyrażenia różniczkowe (pochodne przestrzenne i czasowe) muszą zostać dyskretyzowane. Istnieje szeroki wachlarz metod dyskretyzacji z różnymi podejściami pod względem dokładności, stabilności i zbieżności. Ogólnie rzecz biorąc, rząd dyskretyzacji ilustruje, jak dokładna jest symulacja numeryczna w porównaniu do rozwiązań oryginalnych, niedyskretyzowanych równań. Dyskretyzacja numeryczna pierwszego rzędu zasadniczo generuje lepszą zbieżność niż schemat drugiego rzędu. W bieżącym badaniu używana jest dyskretyzacja drugiego rzędu. Ponadto, podczas używania numerycznego schematu drugiego rzędu, zalecamy zwiększenie minimalnej liczby iteracji, aby osiągnąć lepszą zbieżność (Obraz 03).
Przykład weryfikacyjny
Aby zweryfikować proces symulacji wiatru, opracowano model o podwójnej krzywiźnie, jak pokazano w [1] [2], i przeprowadzono badanie wyników. Skala modelu lekko zakrzywionego jest wybrana jako 1/25, co jest zgodne z modelem eksperymentalnym w referencji [3], ilustrującym dach hypar o wymiarach 10 m na 10 m na 1,25 m. Lekki łuk jest rozważany w celu weryfikacji przykładu z kątem θ=45o. Siła wstępnego naprężenia dla rzeczywistej skali została zastosowana jako 2,5 kN/m na powierzchni, a właściwości mechaniczne, takie jak moduł Younga i współczynnik Poissona, są określone jako Ex=1000 kN/m. Ey=800 kN/m. Gxy=100 kN/m, vxy=0,20. Obraz 04 ilustruje geometrie modelu o podwójnej krzywiźnie. Wejściowe informacje oraz prędkość wiatru dla symulacji CFD będą pokazane na Obrazie 05.
Wymiary tunelu aerodynamicznego
Warto zauważyć, że wymiary tunelu aerodynamicznego mogą generować błędy, jeśli rozmiar tunelu jest mniejszy niż standardowy typ. Na następnym obrazie pokazano standardowy wymiar tunelu aerodynamicznego [3]. Ponadto wyniki są wrażliwe na rozmiary siatki, więc obliczenia powinny być realizowane dla co najmniej trzech różnych liczebności siatki, a gdy wyniki są wystarczająco zbliżone do poprzedniego etapu, osiągnięta zostaje niezależność od siatki (Obraz 06).
Widok boczny generacji siatki modelu jest przedstawiony na Obrazie 07; jak można zauważyć, algorytm rafinacji siatki jest stosowany w bliskiej odległości od powierzchni modelu.
Badanie siatki obliczeniowej
Wyniki w symulacji CFD są wrażliwe na rozmiar siatki, dlatego niezależność od siatki powinna być realizowana dla co najmniej trzech różnych liczebności elementów siatki. Oto wyniki wartości Cp na linii środkowej dachu; jak można zauważyć, występują bardzo niewielkie różnice, które pokazują, że wyniki symulacji wiatru stają się niezależne od trzeciej siatki (Obraz 08).
Funkcja Blended Wall
RWIND używa funkcji Blended Wall (BWF), znanej również jako Enhanced Wall Function (EWF), która pokazuje znacznie lepszą wydajność niż Standard Wall Function (SWF). Generalnie można być pewnym, że otrzymasz dokładne wyniki dla szerokiego zakresu wartości y+. BWF nie jest funkcją symetryczną. Mamy solidną czarną linię (jak pokazano na obrazie 09), która jest symulacją DNS, którą próbujemy odtworzyć. Co można od razu zauważyć, EWF jest zdecydowanie bliższa danych DNS niż SWF. Dlatego w strefie buforowej między y+ 5 a 30, EWF jest zdecydowanie bardziej dokładna w porównaniu do SWF. Dlatego EWF jest często zalecana w symulacjach CFD [4]. Jednak ważne jest, aby podkreślić, że RWIND nie jest przeznaczony do szczegółowych badań warstwy przyściennej z niskimi wartościami y+. RWIND jest zaprojektowany jako szybkie, przybliżone, praktyczne rozwiązanie dostosowane do potrzeb inżynierów budowlanych, którzy mogą nie mieć szerokiej wiedzy z zakresu CFD i są zainteresowani wykonywaniem projektów przemysłowych.
Średnie diagramy ciśnienia i kontury dla dwóch modeli turbulencji są pokazane na Obrazach 10 i 11. Na podstawie linii środkowej dachu hypar, diagram rozkładu Cpe jest wykreślony i porównany z eksperymentalnym testem tunelu aerodynamicznego. Wartość Cp można wyprowadzić z następującego równania, gdzie P to ciśnienie wiatru w mierzonym punkcie, Pref to ciśnienie referencyjne (ciśnienie atmosferyczne), ρ to gęstość powietrza, a Uref to prędkość referencyjna równa 15,3 m/s.
Jak pokazano tutaj, model turbulencji K-omega pokazuje lepszą wydajność w przewidywaniu współczynnika ciśnienia wiatru; w bieżącym badaniu model turbulencji K-omega lepiej wychwytuje efekty zrzutów wirów w strefie wysokiego gradientu ujemnego ciśnienia wiatru niż modele K-epsilon. Zalecamy użycie tego modelu turbulencji jako bardziej dokładnej opcji w interakcjach konstrukcji z wiatrem.
