Wprowadzenie
W dziedzinie inżynierii wiatru dokładne modelowanie i weryfikacja są kluczowe dla zapewnienia integralności strukturalnej i wydajności aerodynamicznej różnych konstrukcji wrażliwych na wiatr, takich jak anteny (rysunek 1). Konstrukcje te, często charakteryzujące się smukłą geometrią, niską masą i znaczną wysokością, są z natury podatne na obciążenia wiatrem. Nawet umiarkowane warunki wietrzne mogą nałożyć znaczne siły na takie elementy ze względu na dużą proporcję powierzchni do masy. Anteny w szczególności wymagają szczególnej uwagi podczas procesu projektowania i analizy, aby zapewnić ich stabilność, funkcjonalność i bezpieczeństwo w dłuższym czasie. Testy tunelowe, symulacje komputerowe i pomiary terenowe są powszechnie stosowane w celu dokładnego przewidywania ciśnień wiatru i odpowiedzi na nie. Odpowiednia ocena i strategie łagodzenia są niezbędne nie tylko do zapobiegania uszkodzeniom strukturalnym, ale także do utrzymania ciągłej wydajności operacyjnej, zwłaszcza w krytycznych zastosowaniach komunikacyjnych lub monitorujących. W bieżącym przykładzie weryfikacji badany jest współczynnik siły zarówno dla symulacji CFD w RWIND, jak i badania eksperymentalnego [1] z Uniwersytetu RWTH w Akwizgranie.
Aby sprostać tym wyzwaniom, konieczna jest rygorystyczna weryfikacja modeli obliczeniowych, aby zapewnić, że przewidywania teoretyczne są zgodne z wydajnością rzeczywistą. Jednym z takich przykładów jest weryfikacja symulacji obciążeń wiatrowych na antenę poprzez testy eksperymentalne i analizę dynamiki płynów (CFD). Ten proces pozwala inżynierom udoskonalić swoje modele, poprawić dokładność i zwiększyć niezawodność konstrukcji anten w różnych warunkach środowiskowych.
We współpracy z Uniwersytetem RWTH w Akwizgranie, wiodącą instytucją w dziedzinie inżynierii i nauk stosowanych, prowadzone są praktyczne badania na konstrukcjach anten wystawionych na obciążenia wiatrem. Łącząc podejścia teoretyczne z danymi empirycznymi, badania mają na celu zniwelowanie luki między symulacją a rzeczywistością, przyczyniając się do rozwoju bezpieczniejszych, bardziej odpornych projektów anten. Badanie to podkreśla znaczenie weryfikacji w inżynierii wiatru, pokazując, jak współpraca akademicko-przemysłowa może prowadzić do bardziej precyzyjnych technik modelowania i poprawy wydajności strukturalnej w rzeczywistych zastosowaniach.
Opis
W bieżącym przykładzie weryfikacji badany jest współczynnik siły zarówno dla symulacji CFD w RWIND, jak i badania eksperymentalnego [1] z Uniwersytetu RWTH w Akwizgranie. Model reprezentuje trzy ostro zakończone anteny w RWIND, umieszczone nad powierzchnią siatki, która służy jako płaszczyzna bazowa lub podłoga tunelu wiatrowego. Model zawiera kilka etykiet wymiarowych w kolorze magenta, wskazujących określone pomiary: całkowita wysokość anteny wynosi 0,50 m; jej podstawa jest podniesiona na 0,20 m od podłoża, jak pokazano na rysunku 2.
Dane wejściowe i założenia
Wymagane założenie symulacji wiatrowej przedstawia poniższa tabela:
| Tabela 1: Stosunek wymiarowy i dane wejściowe | |||
| Prędkość wiatru | V | 10 | m/s |
| Wysokość | h | 0,5 | m |
| Dolna szczelina | Szczelina | 0,20 | m |
| Gęstość powietrza - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Kierunki wiatru | θwiatr | 0o do 360o co 30o | Stopnie |
| Model turbulencji - RWIND | Ustalone RANS k-ω SST | - | - |
| Lepkość kinetyczna - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Porządek schematu - RWIND | Drugi | - | - |
| Wartość docelowa reszt - RWIND | 10-4 | - | - |
| Typ reszt - RWIND | Ciśnienie | - | - |
| Minimalna liczba iteracji - RWIND | 800 | - | - |
| Warstwa przyścienna - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ funkcji przyściennej - RWIND | Wzmożona / Mieszana | - | - |
| Intensywność turbulencji | I | 3% | - |
Badanie siatki obliczeniowej
Badanie siatki obliczeniowej jest niezbędne w analizie CFD, ponieważ bezpośrednio wpływa na dokładność i wiarygodność wyników. Dobrze dopracowana siatka poprawia precyzję, nadmierne udoskonalenie zwiększa jednak koszt obliczeniowy bez większych korzyści. W związku z tym, badania czułości siatki pomagają znaleźć optymalną równowagę między dokładnością a wydajnością, umożliwiając lepsze podejmowanie decyzji przy praktycznym wykorzystaniu zasobów. Przedstawiona tabela w dolnym prawym rogu porównuje różne zagęszczenia siatki, od 10% do 30%, i ich odpowiadające współczynniki siły (Cf).
Więcej informacji o badaniu siatki obliczeniowej:
Wyniki i dyskusja
Rysunek 4 przedstawia analizę porównującą dane eksperymentalne i symulacyjne dotyczące współczynnika siły wiatru działającej na strukturę anteny. W środku obrazu wykres liniowy ilustruje wariację współczynnika siły Cf w funkcji kierunku wiatru θ, mierzonego w stopniach od 0∘ do 360∘. Oś pionowa reprezentuje współczynnik siły Cf, w zakresie od 0,0 do 1,0, a oś pozioma reprezentuje kierunki wiatru co 30 stopni. Na wykresie są naniesione dwa zestawy danych: czarna linia z trójkątnymi markerami reprezentuje pomiary eksperymentalne, podczas gdy zielona linia z okrągłymi markerami reprezentuje wyniki symulacji uzyskane przy użyciu RWIND.
Więcej informacji na temat obliczania współczynnika siły wiatru w RWIND:
Wykres pokazuje, że zarówno wyniki eksperymentalne, jak i RWIND podążają podobnym trendem, wskazując na wysoki poziom zbieżności między nimi. Ogólnie współczynnik siły wykazuje okresowe zachowanie, z zauważalnymi spadkami przy kierunkach wiatru około 60∘ i 180∘, gdzie wartości Cf są najniższe. Szczyty są obserwowane około 0∘, 120∘, 240∘ i 330∘, gdzie konstrukcja doświadcza najwyższych sił wywołanych wiatrem. Bliskie dopasowanie dwóch krzywych pokazuje, że RWIND dokładnie odzwierciedla odpowiedź aerodynamiczną konstrukcji, z raportowaną średnią odchyłką około 5% od danych eksperymentalnych.
Ogólnie rzecz biorąc, obecne badanie skutecznie bada proces weryfikacji symulacji numerycznej wiatru względem wyników eksperymentów fizycznych. Pokazuje, że RWIND działa bardzo dobrze w odtwarzaniu danych eksperymentalnych w różnych kierunkach wiatru, sugerując jego przydatność do przewidywania obciążeń wiatrowych na smukłych, pionowych konstrukcjach, takich jak maszty antenowe. Połączenie danych graficznych, wizualizacji strukturalnych i symulacji pola przepływowego zapewnia wyraźny i dobrze zaokrąglony obraz metodologii badania i wyników.
Również przykład pojedynczej anteny z ostro zakończonym końcem z Uniwersytetu RWTH w Akwizgranie jest tutaj:
