W tym przewodniku opisano kroki niezbędne do opracowania przykładu walidacyjnego dla symulacji CFD, od wyboru odpowiedniego scenariusza po analizę i porównanie wyników. Skrupulatnie wykonując te kroki, inżynierowie i badacze mogą zwiększyć wiarygodność swoich modeli CFD, torując drogę do ich efektywnego zastosowania w różnych dziedzinach, takich jak aerodynamika, lotnictwo i badania nad środowiskiem.
Tworzenie przykładu do walidacji dla symulacji komputerowej mechaniki płynów (CFD) w zastosowaniach inżynierii wiatrowej obejmuje kilka specyficznych kroków, dostosowanych do złożoności przepływu wiatru i jego interakcji ze konstrukcjami i środowiskiem. Oto'instrukcja krok po kroku:
1. Definiowanie problemu inżynierii wiatrowej
- Jasno określ symulowany scenariusz inżynierii wiatrowej, taki jak przepływ wiatru wokół budynków, mostów lub innych konstrukcji.
- Uwzględnij szczegóły dotyczące terenu, charakterystyki atmosferycznej warstwy granicznej i wszelkich istotnych czynników środowiskowych.
2. Wybór odpowiedniego przypadku analizy
- Wybierz dobrze udokumentowane studium przypadku inżynierii wiatrowej z wiarygodnymi danymi eksperymentalnymi lub terenowymi. Mogą to być testy w tunelu aerodynamicznym lub pomiary w pełnej skali.
- Przypadek powinien bardzo przypominać scenariusz pod względem geometrii, skali i warunków wiatrowych.
W naszym obecnym badaniu jako przypadek porównawczy wybrano artykuł [1] z Journal of Wind Engineering. Model pokazano na rysunku 1:
3. Tworzenie modelu CFD
- Geometria: Utwórz cyfrowy model konstrukcji i otaczającego terenu. W przypadku budynków można uwzględnić szczegóły, takie jak kształt, funkcje fasady i pobliskie konstrukcje.
- Tworzenie siatki : można wygenerować siatkę, która dokładnie oddaje geometrię, zwracając szczególną uwagę na obszary, w których można spodziewać się dużych spadków przepływu, takich jak naroża i krawędzie konstrukcji.
- Warunki brzegowe i początkowe: Zdefiniuj warunki brzegowe, które odzwierciedlają profil wiatru (prędkość i kierunek) na różnych wysokościach, wahaniach temperatury i ciśnienia.
- Ustawienia solwera: Wybierz odpowiednie solwery i modele turbulencji (np. k-ε lub Large Eddy Simulation), o których wiadomo, że dobrze radzą sobie w symulacjach inżynierii wiatrowej.
Wstępne założenia są uwzględniane w tabeli 1.
| Bazowa prędkość wiatru | V | 10,13 | m/s |
| Wysokość dachu | h | 6 | m |
| Wymiar poziomy | α | 6 | m |
| Kąt nachylenia dachu | θdach | 0 | Stopień |
| Gęstość powietrza – RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| kierunki wiatru | θwiatr | 0 | Stopień |
| Model turbulencji – RWIND | Stan ustalony RANS k-ω SST | - | - |
| Lepkość kinematyczna (równanie 7.15, EN 1991-1-4) – RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Kolejność schematów – RWIND | Pierwszy i drugi | - | - |
| Pozostała wartość docelowa - RWIND | 10-4 | - | - |
| Typ pozostałości – RWIND | Ciśnienie | - | - |
| Minimalna liczba iteracji – RWIND | 800 | - | - |
| Warstwa graniczna – RWIND | NL | 10 | - |
| Typ funkcji ściany – RWIND | Rozszerzony/mieszany | - | - |
4. Uruchamianie symulacji
- Przeprowadzaj symulacje z uwzględnieniem zarówno analizy stanu ustalonego, jak i przejściowego, ponieważ przepływ wiatru może różnić się znacznie w czasie.
- Symulacja powinna trwać wystarczająco długo, aby uchwycić odpowiednią dynamikę przepływu wokół konstrukcji.
5. Proces walidacji
- Porównaj z danymi testu porównawczego : Porównaj wyniki symulacji z danymi przypadku referencyjnego, koncentrując się na takich parametrach, jak profile prędkości wiatru, rozkład ciśnienia na konstrukcjach i intensywność turbulencji.
- Analiza błędów : Przeprowadź analizę ilościową, aby ocenić rozbieżności między danymi symulacyjnymi a danymi porównawczymi.
- Analiza wrażliwości : Sprawdź, jak zmiany w gęstości siatki, warunkach brzegowych i modelach turbulencji wpływają na wyniki.
W obecnym przykładzie analizę wrażliwości pokazano zgodnie z rysunkiem 2. Analizowane są wyniki całkowitych sił oporu dla czterech różnych oczek. Niezależność siatki uzyskuje się przy 1,6 miliona komórek.
6. Dokumentacja
- Należy dokładnie udokumentować swoją metodologię, w tym założenia, warunki brzegowe i wszystkie istotne ustawienia.
- Dołącz szczegółowe porównanie swoich wyników z danymi porównawczymi, podkreślając zarówno zgodność, jak i rozbieżności.
7. Zagęszczenie iteracyjne
- Jeżeli istnieją znaczne odchylenia od danych porównawczych, należy doprecyzować model. Może to obejmować dostosowanie rozdzielczości siatki, modyfikację modeli turbulencji lub zmianę warunków brzegowych.
- Powtarzaj proces symulacji i walidacji do momentu, aż model będzie wiarygodnie przewidywał zachowanie przepływu wiatru.
8. Uwagi dotyczące zastosowań w inżynierii wiatrowej
- Symulacje CFD w inżynierii wiatrowej często muszą uwzględniać złożone zjawiska, takie jak tworzenie się wirów, podmuchów wiatru i fal aerodynamicznych.
- Topologia miasta, wpływ ukształtowania terenu i warunki stateczności atmosferycznej mogą znacząco wpływać na przepływ wiatru i powinny zostać uwzględnione w modelu, jeśli to konieczne.
9. Wyniki
Wykres średniej wartości Cp przy użyciu symulacji statycznej jest tworzony dla uproszczonej i dokładnej metody generowania siatki w RWIND, a także dla pierwszej i drugiej metody schematu numerycznego. Wyniki wskazują na dobrą zgodność między metodą eksperymentalną a numeryczną w odniesieniu do odniesienia [1]. Rysunki 3 i 4 pokazują średnią wartość Cp na określonej linii w kierunku pionowym i poziomym.
10. Uwagi końcowe
Proces walidacji ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia, że model CFD dokładnie odzwierciedla złożoność przepływu wiatru w zastosowaniach inżynierskich. Pomaga to w budowaniu zaufania do wyników symulacji, które można następnie wykorzystać do decyzji projektowych, oceny bezpieczeństwa lub dalszych badań. Model do walidacji jest dostępny do pobrania tutaj:
