Ten przewodnik przedstawia niezbędne kroki w opracowywaniu przykładu walidacji dla symulacji CFD, od wyboru odpowiedniego scenariusza fizycznego po analizę i porównanie wyników. Starannie przestrzegając tych kroków, inżynierowie i badacze mogą zwiększyć wiarygodność swoich modeli CFD, torując drogę do ich efektywnego zastosowania w różnych dziedzinach, takich jak aerodynamika, aerokosmonautyka i badania środowiskowe.
Tworzenie przykładu walidacji dla symulacji CFD w zastosowaniach inżynierii wiatrowej obejmuje kilka specyficznych kroków dostosowanych do złożoności przepływu wiatru i jego interakcji z konstrukcjami i środowiskami. Oto przewodnik krok po kroku:
1. Definiowanie Problemu Inżynierii Wiatrowej
- Wyraźnie określ scenariusz inżynierii wiatrowej, który symulujesz, na przykład przepływ wiatru wokół budynków, mostów lub innych konstrukcji.
- Uwzględnij szczegóły dotyczące terenu, charakterystyki warstwy granicznej atmosfery i wszelkich istotnych czynników środowiskowych.
2. Wybór Odpowiedniego Przypadku Referencyjnego
- Wybierz dobrze dokumentowane studium przypadku inżynierii wiatrowej z wiarygodnymi danymi eksperymentalnymi lub z terenu. Mogą to być testy w tunelu aerodynamicznym lub pomiary w skali rzeczywistej.
- Przypadek powinien ściśle przypominać twój scenariusz pod względem geometrii, skali i warunków wiatrowych.
Do naszego bieżącego badania wybrano artykuł naukowy [1] z Journal of Wind Engineering jako przypadek referencyjny. Model pokazano na Obrazie 1:
3. Opracowywanie Modelu CFD
- Geometria: Utwórz cyfrowy model konstrukcji i otaczającego terenu. Dla budynków uwzględnij szczegóły takie jak kształt, cechy elewacji i pobliskie struktury.
- Meszowanie: Generuj siatkę, która dokładnie odwzorowuje geometrię, skupiając szczególną uwagę na obszarach, gdzie oczekuje się wysokich gradientów przepływu, takich jak narożniki i krawędzie struktur.
- Warunki Brzegowe i Początkowe: Ustaw warunki brzegowe odzwierciedlające profil wiatru (prędkość i kierunek) na różnych wysokościach, zmiany temperatury i warunki ciśnienia.
- Ustawienia Solwera: Wybierz odpowiednie solwery i modele turbulencji (takie jak k-ε czy Symulacja Dużego Wiru) znane z dobrego działania w symulacjach inżynierii wiatrowej.
Początkowe założenia są przedstawione w Tabeli 1.
| Podstawowa Prędkość Wiatru | V | 10.13 | m/s |
| Wysokość Dachu | h | 6 | m |
| Wymiar Poziomy | α | 6 | m |
| Kąt Dachu | θroof | 0 | Stopnie |
| Gęstość Powietrza – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Kierunek Wiatru | θwind | 0 | Stopnie |
| Model Turbulencji – RWIND | Steady-State RANS k-ω SST | - | - |
| Współczynnik Lepkości Kinematycznej (Równanie 7.15, EN 1991-1-4) – RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Rząd Schematów – RWIND | Pierwszy i Drugi | - | - |
| Docelowa Wartość Residuów – RWIND | 10-4 | - | - |
| Rodzaj Residuów – RWIND | Ciśnienie | - | - |
| Minimalna Liczba Iteracji – RWIND | 800 | - | - |
| Warstwa Graniczna – RWIND | NL | 10 | - |
| Typ Funkcji Ściany – RWIND | Zaawansowane / Mieszane | - | - |
4. Przeprowadzanie Symulacji
- Przeprowadź symulacje, rozważając zarówno analizy stateczne, jak i dynamiczne, ponieważ przepływ wiatru może mieć znaczące zmiany w czasie.
- Upewnij się, że symulacja trwa wystarczająco długo, aby uchwycić odpowiednią dynamikę przepływu wokół struktur.
5. Proces Walidacji
- Porównanie z Danymi Przypadku Referencyjnego: Porównaj swoje wyniki symulacji z danymi przypadku referencyjnego, skupiając się na parametrach takich jak profile prędkości wiatru, rozkład ciśnienia na strukturach i intensywność turbulencji.
- Analiza Błędów: Przeprowadz analizę ilościową, aby ocenić rozbieżności między twoją symulacją a danymi przypadku referencyjnego.
- Analiza Czułości: Przeprowadź testy, jak zmiany w gęstości siatki, warunki brzegowe i modele turbulencji wpływają na twoje wyniki.
Dla bieżącego przykładu analiza czułości przedstawiona jest zgodnie z Obrazem 2. Wyniki całkowitych sił oporu są badane dla sześciu różnych rozmiarów siatek. Niezależność od siatki uzyskano przy 1,6 miliona komórek (Siatka #4). W CFD badanie zbieżności siatki pomaga znaleźć optymalny rozmiar siatki (Siatka #4), gdzie wyniki symulacji (np. siła oporu) stają się niezależne od siatki. Użycie zbyt grubej siatki jak Siatka #1 może prowadzić do niedokładnych wyników, podczas gdy zbyt drobne siatki mogą wprowadzać błędy numeryczne i zwiększać czas obliczeń, jak pokazano w Siatka #6 na Obrazie 2.
Aby zidentyfikować optymalną siatkę zapewniającą zarówno dokładność, jak i niezależność od siatki, zaleca się ocenić co najmniej trzy różne rozmiary siatek. Kiedy wyniki stabilizują się z drobniejszymi siatkami, rozwiązanie jest uważane za wiarygodne i niezależne od gęstości siatki. Zaleca się również przeglądanie ważnych odniesień takich jak ASCE 7-22 Rozdział C31 - Procedura Tunelowa, Yeo, D. 2020 [2], oraz Roache [3].
6. Dokumentacja
- Dokładnie udokumentuj swoją metodologię, w tym założenia, warunki brzegowe i wszystkie istotne ustawienia.
- Dołącz szczegółowe porównanie swoich wyników z danymi przypadku referencyjnego, podkreślając zarówno zgodności, jak i rozbieżności.
7. Iteracyjna Optymalizacja
- Jeśli występują znaczne odchylenia od danych przypadku referencyjnego, udoskonal swój model. Może to obejmować dostosowanie rozdzielczości siatki, modyfikację modeli turbulencji lub rewizję warunków brzegowych.
- Powtórz proces symulacji i walidacji, aż model niezawodnie przewidzieć zachowanie przepływu wiatru.
8. Uwagi dla Zastosowań Inżynierii Wiatrowej
- Symulacje CFD w inżynierii wiatrowej często muszą uwzględniać złożone zjawiska takie jak zrzucanie wirów, drgania i efekt cieczy.
- Topologia miejska, efekty terenu i warunki stabilności atmosferycznej mogą znacznie wpływać na przepływ wiatru i powinny być uwzględniane w modelu, gdy jest to istotne.
9. Wyniki
Wykres średniej wartości Cp przy użyciu symulacji ustalonej wykonano dla uproszczonych i dokładnych metod generacji siatki w RWIND, jak również pierwszej i drugiej metody schematu numerycznego. Wyniki wykazują dobrą zgodność między metodami eksperymentalnymi a numerycznymi w odniesieniu do referencji [1]. Obrazy 3 i 4 pokazują średnią wartość Cp wzdłuż określonej linii w kierunkach pionowym i poziomym.
10. Wnioski
Ten proces walidacji jest kluczowy, aby zapewnić, że twój model CFD dokładnie odzwierciedla złożoności przepływu wiatru w zastosowaniach inżynieryjnych. Pomaga budować zaufanie do wyników symulacji, które mogą być następnie wykorzystane do podejmowania decyzji projektowych, oceny bezpieczeństwa lub dalszych badań. Model walidacyjny jest dostępny do pobrania tutaj:
