Przykłady walidacji obliczeniowej symulacji dynamiki płynów (CFD) z wykorzystaniem badań eksperymentalnych (zdjęcie 1) są kluczowym krokiem w weryfikacji dokładności modeli symulacyjnych. Proces ten obejmuje szczegółowe porównanie wyników uzyskanych z symulacji CFD z wynikami uzyskanymi w rzeczywistych eksperymentach. Dzięki temu symulacje mogą być niezawodnie wykorzystywane do przewidywania symulacji aerodynamicznych w różnych zastosowaniach, od projektowania inżynierskiego po analizę środowiskową. Walidacja modeli CFD z danymi eksperymentalnymi pomaga zidentyfikować rozbieżności, umożliwiając dostosowanie parametrów modelu, modeli turbulencji lub metod numerycznych. Ostatecznie, ten iteracyjny proces buduje zaufanie do możliwości predykcyjnych symulacji' i gwarantuje, że model CFD może odzwierciedlać zjawiska świata rzeczywistego.
W omawianym przykładzie, który powstał we współpracy Dlubal Software z RWTH-Aachen University, przedstawiamy kluczowe kroki w celu wdrożenia symulacji CFD w RWIND przy użyciu danych eksperymentalnych. Bardzo doceniamy prof. Franka Kempera i dipl.-ing. Mirko Friehe z Uniwersytetu w Aachen za udostępnienie danych z eksperymentalnego tunelu aerodynamicznego i nieocenione wsparcie podczas całego projektu. Rysunki 1 i 2 przedstawiają model eksperymentalny, przedstawiony jako prostokątny budynek 3D w tunelu aerodynamicznym. Model główny obejmuje czujniki do pomiaru kluczowych parametrów, takich jak wartości ciśnienia wiatru i współczynnik ciśnienia wiatru. Małe bloki otaczające model symulują szorstkość terenu, aby dokładnie odwzorować warunki otoczenia. Stworzenie przykładu walidacyjnego dla symulacji CFD (Computational Fluid Dynamics) w RWIND, z wykorzystaniem danych eksperymentalnych z Uniwersytetu w Aachen, wymaga systematycznego procesu. Oto instrukcja krok po kroku: === Krok 1: Definiowanie celów walidacji === * '''Cel''' : W tej części wyjaśniamy, dlaczego przeprowadzamy tę walidację. Typowym celem jest weryfikacja dokładności wyników RWIND w porównaniu z fizycznymi danymi eksperymentalnymi. * '''Zakres''' : Docelowe wyniki walidacji obejmują wartości ciśnienia wiatru na zdefiniowanych czujnikach oraz siły podstawowe zależne od różnych kierunków wiatru. === Krok 2: Zbierz dane eksperymentalne z testu w tunelu aerodynamicznym === * '''Akwizycja danych''' : Zbierz wszystkie niezbędne dane eksperymentalne, takie jak prędkość i kierunek wiatru, pomiary ciśnienia i wszelkie istotne warunki brzegowe. * '''Format danych''' : Należy upewnić się, że format danych może być przetwarzany przez RWIND, taki jak plik tekstowy lub arkusz kalkulacyjny, oraz czy format danych jest zgodny z jednostkami i skalą wymaganymi przez RWIND. Tutaj znajduje się link do FAQ, w jaki sposób można wprowadzić dane eksperymentalne do RWIND: * '''Kontrola jakości''' : Dane należy sprawdzić pod kątem kompletności i dokładności. Należy upewnić się, że dane obejmują zakres warunków, które planujesz symulować. === Krok 3: Konfiguracja modelu w RWIND === * '''Import geometrii''' : Utwórz lub zaimportuj geometrię badanej konstrukcji (na przykład budynku lub mostu). Można to zamodelować bezpośrednio w RWIND lub zaimportować z programu RFEM lub CAD (zdjęcie 3). * '''Warunki brzegowe''' : Należy zastosować takie same warunki brzegowe, jak w układzie eksperymentalnym. Obejmuje to określenie prędkości wiatru, intensywności turbulencji i innych wymaganych współczynników (zdjęcie 4). * '''Tworzenie siatki''' : Wygeneruj siatkę obliczeniową odpowiednią dla swojego badania (rysunek 5). Ten krok obejmuje podział geometrii na mniejsze elementy, które RWIND wykorzystuje do obliczeń. Należy upewnić się, że siatka jest wystarczająco cienka w obszarach o dużym nachyleniu (np. wokół krawędzi lub na powierzchniach, na których można spodziewać się przepływu turbulentnego). Powtarzaj obliczenia ze wzrostem gęstości siatki, aż wyniki będą prawie takie same. Należy również przeprowadzić analizę siatki obliczeniowej, korzystając z poniższego linku: === Krok 4: Uruchamianie symulacji === * '''Wstępny przebieg testowy''' : Rozpocznij od uruchomienia testowego, aby zidentyfikować problemy z instalacją. Sprawdź jakość siatki, warunki brzegowe i problemy ze zbieżnością. * '''Pełna symulacja''' : Po pomyślnym zakończeniu przebiegu testowego należy przejść do pełnej symulacji. Można monitorować symulację pod kątem zbieżności i stateczności, w razie potrzeby wprowadzać odpowiednie poprawki. === Krok 5: Wyniki obróbki końcowej === * '''Wyodrębnianie danych''' : Wyniki symulacji wraz z wypadkową siłą wiatru i rozkładami ciśnienia dla zdefiniowanych punktów pomiarowych można eksportować z RWIND w celu porównania z danymi eksperymentalnymi. * '''Wizualizacja''' : Skorzystaj z narzędzi RWIND, aby zwizualizować schematy przepływu i rozkłady ciśnienia. Twórz wykresy, wykresy lub wizualizacje 3D, aby lepiej interpretować wyniki. === Krok 6: Porównanie wyników z danymi eksperymentalnymi === * '''Wyrównanie danych''' : Upewnij się, że dane symulacyjne i eksperymentalne są zgodne pod względem lokalizacji w przestrzeni, jednostek i skali. * '''Analiza statystyczna''' : Przeprowadź statystyczne porównanie danych symulacyjnych z danymi eksperymentalnymi. Oblicz metryki odchylenia, takie jak współczynniki korelacji, w celu ilościowego określenia dokładności. Oto wypadkowe siły podstawowe w zależności od różnych kierunków wiatru, przeanalizowane w RWIND i porównane z badaniem eksperymentalnym (zdjęcie 6). Do obliczeń podstawowych sił wykorzystano model turbulencji k-epsilon, uwzględniając zarówno niski, jak i wysoki poziom intensywności turbulencji. Wyniki o wyższej intensywności turbulencji okazały się być bardziej zbieżne z badaniem eksperymentalnym, z odchyleniem wynoszącym około 6%. Drugim parametrem są wartości ciśnienia wiatru obliczone w punktach pomiarowych zarówno w badaniu numerycznym, jak i eksperymentalnym (rys. 7). W RWIND zastosowano standardowe modele k-epsilon i k-omega SST, aby porównać wartości ciśnienia wiatru z wynikami eksperymentalnymi. Analiza statystyczna wskazuje, że model k-omega SST zapewnia trend bliższy wynikom eksperymentalnym zgodnie ze współczynnikiem korelacji (R=0,98) i współczynnikiem determinacji (R2 =0,96) na rysunku 8. === Krok 8: Dokumentacja i raportowanie === Dokumentuj cały proces walidacji, w tym konfigurację, parametry symulacji, metodologię porównania i wyniki. Podkreśl wszelkie odchylenia od danych eksperymentalnych wraz z potencjalnymi przyczynami. Zapewnia wgląd w dokładność modelu CFD i w razie potrzeby sugeruje ulepszenia lub dalsze kroki walidacji.
