3080x
001778
2022-11-24

Ważne zasady w symulacji wiatru

RWIND 2 to program do generowania obciążeń wiatrem w oparciu o CFD (Computational Fluid Dynamics). Symulacja numeryczna przepływu wiatru jest generowana wokół dowolnego budynku, w tym budynku o nieregularnej lub unikalnej geometrii, w celu określenia obciążeń wiatrem na powierzchnie i pręty. RWIND 2 może być zintegrowany z programem RFEM/RSTAB w celu przeprowadzenia analizy statyczno-wytrzymałościowej lub jako samodzielna aplikacja.

Za pomocą programów RFEM i RWIND wygenerowano model konstrukcji membranowej, który umożliwia rozpoczęcie symulacji wiatru oraz wdrożenie ważnych kryteriów. RWIND to zaawansowane narzędzie do tworzenia obciążeń wiatrem na konstrukcjach ogólnych i skomplikowanych formach. Solver CFD to pakiet oprogramowania OpenFOAM® (wersja 17.10), który daje bardzo dobre wyniki i jest szeroko stosowanym narzędziem do symulacji CFD. Solver numeryczny jest w stanie ustalonym dla nieściśliwego przepływu turbulentnego, wykorzystując algorytm SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations).

Obciążenia wiatrem są regulowane przez określone normy, takie jak EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7-16 lub NBC 2015. RFEM to dobrze wyposażone oprogramowanie do tworzenia rozciąganych konstrukcji membranowych; uwzględnia nieliniową analizę form-finding dla sprężonych powierzchni o podwójnej krzywiźnie. Rysunek 02 przedstawia numeryczny schemat przepływu powietrza i modelowanie MES do przeprowadzenia przykładowej weryfikacji konstrukcji membranowych na rozciąganie.

Aby numerycznie wyznaczyć równania różniczkowe cząstkowe, należy zdyskretyzować wszystkie wyrażenia różniczkowe (pochodne przestrzenne i czasowe). Istnieje wiele metod dyskretyzacji, w których można zastosować różne podejścia w zakresie dokładności, stabilności i zbieżności. Ogólnie rzecz biorąc, kolejność dyskretyzacji ilustruje, jak dokładna jest symulacja numeryczna w porównaniu z rozwiązaniami oryginalnych niedyskretyzowanych równań. Dyskretyzacja numeryczna pierwszego rzędu zasadniczo generuje lepszą zbieżność niż schemat drugiego rzędu. W niniejszym opracowaniu zastosowano dyskretyzację drugiego rzędu. Również w przypadku korzystania ze schematu liczbowego drugiego rzędu zalecamy zwiększenie minimalnej liczby iteracji w celu uzyskania lepszej zbieżności (zdjęcie 03).

Przykład weryfikacji:

Aby zweryfikować proces symulacji wiatru, tworzony jest model podwójnej krzywizny, jak pokazano w [1] [2], a wyniki są analizowane. Skalę modelu z lekką krzywą przyjęto jako 1/25, czyli taką samą jak model doświadczalny w odnośniku [1], ilustrujący dach czterospadowy o wymiarach 10 m na 10 m na 1,25 m . Niewielka krzywa służy do weryfikacji przykładu o kącie =45o. Siła naciągu wstępnego dla skali rzeczywistej została przyłożona do powierzchni 2,5 kN/m, a właściwości mechaniczne, takie jak moduł Younga's i współczynnik Poissona's, zdefiniowano jako Ex =1000 kN/m. Ey =800 kN/m. Gxy =100 kN/m, vxy =0,20. Rysunek 04 ilustruje geometrię modelu z podwójną krzywizną. Informacje wejściowe i dane wejściowe dotyczące prędkości wiatru dla symulacji CFD pokazano na rysunku 05.

Wymiar tunelu aerodynamicznego:

Należy pamiętać, że wymiar tunelu aerodynamicznego może powodować błędy, jeśli rozmiar tunelu jest mniejszy niż standardowy. Poniższy rysunek przedstawia standardowy wymiar tunelu aerodynamicznego [3]. Wyniki są również zależne od rozmiaru oczek, dlatego obliczenia należy przeprowadzić dla co najmniej trzech różnych numerów oczek, a gdy wyniki są wystarczająco zbliżone do poprzedniego etapu, należy uzyskać niezależność od rastra (rys. 06).

Widok z boku na generowanie siatki modelu pokazano na rys. 07; Jak widać, algorytm zagęszczenia siatki jest wykorzystywany w bliskiej odległości od powierzchni modelu.

Analiza siatki obliczeniowej:

Wyniki symulacji CFD są zależne od rozmiaru siatki, dlatego należy przeprowadzić niezależność od siatki dla co najmniej trzech różnych liczby elementów siatki. Poniżej znajdują się wyniki wartości Cp na osi dachu; Jak widać, istnieją bardzo niewielkie różnice, które pokazują, że wyniki symulacji wiatru stają się niezależne od trzeciej siatki (zdjęcie 08).

Ulepszona funkcja ściany:

RWIND wykorzystuje funkcję zaawansowanej ściany (BWF), znaną również jako ulepszona funkcja ściany (EWF), która wykazuje znacznie lepszą wydajność niż standardowa funkcja ściany (SWF). Dzięki temu można być pewnym, że otrzymacie dokładne wyniki dla szerokiego zakresu liczb y+. BWF nie jest funkcją symetryczną. Mamy ciągłą czarną linię (jak pokazano na rysunku 09), która jest bezpośrednią symulacją numeryczną (DNS), którą próbujemy odtworzyć. Od razu widać, że EWF jest zdecydowanie bliżej danych DNS niż SWF. Tak więc w obszarze buforowym między ay+ wynoszącym od 5 do 30 EWF jest zdecydowanie dokładniejszy w porównaniu z SWF. Z tego powodu EWF jest często zalecany w symulacjach CFD [4].

Wykres średniego ciśnienia i kontur dla dwóch modeli turbulencji pokazano na rys. 10 i 11. W oparciu o linię środkową dachu Hypar, wykres rozkładu Cpe jest wykreślany i porównywany z eksperymentalnym testem w tunelu aerodynamicznym. Wartość Cp można wyprowadzić z następującego równania, gdzie P jest ciśnieniem wiatru w punkcie pomiaru, Pref jest ciśnieniem odniesienia (ciśnienie atmosferyczne), ρ jest gęstością powietrza, a Uref jest prędkością odniesienia równą 15,3 m/ust.

Jak pokazano tutaj, model turbulencji K-omega wykazuje lepszą skuteczność w przewidywaniu współczynnika parcia wiatru; W bieżącym badaniu model turbulencji K-omega lepiej niż modele K-epsilon wychwytuje efekty rozwierania wirów przy ujemnym ciśnieniu wiatru o dużym gradiencie. Zalecamy używanie tego modelu turbulencji jako dokładniejszej opcji w przypadku interakcji wiatr-konstrukcja.


Autor

Pan Kazemian jest odpowiedzialny za rozwój i marketing produktu Dlubal Software, w szczególności programu RWIND 2.

Odniesienia
  1. Colliers, J., et al., Prototypowanie modeli cienkopowłokowych tunelu aerodynamicznego w celu ułatwienia eksperymentalnej analizy obciążenia wiatrem zakrzywionych konstrukcji zadaszenia. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2019. 188: str. 308-322.
  2. Rizzo, F., et al., Ocena oddziaływania wiatru na dachy rozciągane o kształcie paraboloidy hiperbolicznej. Konstrukcje inżynierskie, 2011. 33 (2): s. 445-461.
  3. C. Zhang, S. Yang, C. Shu, L. Wang, T. Stathopoulos. (2020). Współczynniki ciśnienia wiatru dla budynków z kurtynami powietrznymi. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 205 , 104265. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2020.104265
  4. Co to są funkcje ścian i jak działają? https://www.youtube.com/watch?v=h5OiFpu0L4M
Pobrane