Wprowadzenie
W inżynierii wiatru precyzyjne modelowanie i dokładna walidacja są niezbędne do utrzymania stabilności konstrukcyjnej i efektywności aerodynamicznej konstrukcji wrażliwych na wiatr, takich jak anteny (Obraz 1). Ze względu na ich smukłą formę, niską masę i znaczna wysokość, te konstrukcje są szczególnie podatne na siły wiatru. Nawet stosunkowo łagodne wiatry mogą wywierać znaczne ciśnienie ze względu na ich wysoką powierzchnię do masy. Zapewnienie długoterminowego bezpieczeństwa, stabilności i funkcjonalności anten wymaga starannego projektowania i analizy. Aby dokładnie przewidzieć skutki wiatru, inżynierowie na ogół polegają na testach tunelowych wiatrowych, symulacjach komputerowych i pomiarach terenowych. Skuteczna ocena i redukcja skutków są kluczowe nie tylko dla uniknięcia awarii konstrukcyjnych, ale także dla zapewnienia nieprzerwanego działania, szczególnie w istotnych systemach komunikacji i monitorowania. W obecną przykładzie walidacji badany jest współczynnik siły dla symulacji CFD w RWIND i badania eksperymentalnego [1] z Uniwersytetu RWTH Aachen.
Aby pokonać te wyzwania, konieczne jest rygorystyczne walidowanie modeli komputerowych, aby upewnić się, że ich prognozy odzwierciedlają rzeczywiste zachowanie. Kluczowym przykładem jest walidacja symulacji obciążeń wiatrowych na anteny za pomocą zarówno testów eksperymentalnych, jak i symulacji CFD. To podejście umożliwia inżynierom dostrojenie modeli, zwiększenie dokładności przewidywań i poprawę niezawodności strukturalnej anten w różnych warunkach środowiskowych.
Współpracując z Uniwersytetem RWTH Aachen, wiodącą instytucją w dziedzinie inżynierii i nauk stosowanych, prowadzone są praktyczne badania nad konstrukcjami anten narażonymi na obciążenia wiatrowe. Łącząc podejścia teoretyczne z danymi empirycznymi, badania mają na celu pomostować lukę między symulacją a rzeczywistością, przyczyniając się do rozwoju bezpieczniejszych, bardziej odpornych projektów anten. To badanie podkreśla znaczenie walidacji w inżynierii wiatru, pokazując, jak współpraca między akademią a przemysłem może prowadzić do bardziej precyzyjnych technik modelowania i poprawy wydajności strukturalnej w rzeczywistych zastosowaniach.
Opis
W obecnym przykładzie walidacji badany jest współczynnik siły dla symulacji CFD w RWIND i badania eksperymentalnego [1] z Uniwersytetu RWTH Aachen. Model przedstawia sześć anten o ostrych krawędziach w RWIND, umieszczonych na powierzchni siatki, która służy jako płaszczyzna gruntu lub podłoga tunelu wiatrowego. Model zawiera kilka etykiet wymiarowych w kolorze magenta, wskazujących konkretne pomiary: całkowita wysokość anteny wynosi 0,50 m; jej podstawa jest podniesiona o 0,20 m od podłoża, co pokazano na Obrazie 2.
Dane wejściowe i założenia
Wymagane założenie symulacji wiatrowej jest zilustrowane w poniższej tabeli:
| 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 to 360o z krokiem 30o | Stopnie |
| Model turbulencji - RWIND | Steady RANS k-ω SST | - | - |
| Lepkość kinematyczna - RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Rząd schematu - RWIND | Second | - | - |
| Docelowa wartość resztkowa - RWIND | 10-4 | - | - |
| Typ resztki - RWIND | Ciśnienie | - | - |
| Minimalna liczba iteracji - RWIND | 800 | - | - |
| Warstwa graniczna - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ funkcji ściany - RWIND | Zwiększona / Łączona | - | - |
| Intensywność turbulencji | I | 3% | - |
Studium siatki obliczeniowej
Studium siatki obliczeniowej jest niezbędne w analizie CFD, ponieważ bezpośrednio wpływa na dokładność i wiarygodność wyników. Chociaż dobrze określona siatka poprawia precyzję, nadmierne zagęszczenie zwiększa koszty obliczeń bez większych korzyści. Dlatego badania wrażliwości siatki pomagają znaleźć optymalną równowagę między dokładnością a wydajnością, umożliwiając lepsze podejmowanie decyzji przy praktycznym wykorzystaniu zasobów. Tabela wyświetlana w prawym dolnym rogu porównuje różne gęstości siatki w zakresie od 20% do 35% oraz odpowiadające im współczynniki siły (Cf).
Więcej informacji o studium siatki obliczeniowej:
Wyniki i omówienie
Obraz 4 przedstawia analizę porównującą dane eksperymentalne i symulowane dotyczące współczynnika siły wiatru działającego na złożoną strukturę anteny. W centrum obrazu wykres liniowy ilustruje zmienność współczynnika siły Cf w funkcji kierunku wiatru θ, mierzonego w stopniach od 0∘ do 360∘. Pionowa oś reprezentuje współczynnik siły Cf, w zakresie od 0.0 do 1.0, a pozioma oś reprezentuje kierunki wiatru zwiększające się w 30-stopniowych odstępach, od 0∘ do 360∘. Na wykresie naniesiono dwa zestawy danych: czarna linia z trójkątnymi znacznikami reprezentuje pomiary eksperymentalne, podczas gdy zielona linia z okrągłymi znacznikami reprezentuje wyniki symulacji uzyskane za pomocą RWIND.
Więcej informacji o tym, jak obliczyć współczynnik siły wiatru w RWIND:
Obraz 4 ilustruje również, że zarówno wyniki eksperymentalne, jak i RWIND podążają za blisko zbliżonym trendem, odzwierciedlając silne zgłoszenie między dwoma metodami. Ogólnie rzecz biorąc, współczynnik siły Cf wykazuje wzorzec cykliczny, gdy zmienia się kierunek wiatru, a wyraźne minima występują w około 90∘ i 270∘, gdzie siły aerodynamiczne są najsłabsze. W przeciwieństwie do tego, maksima są widoczne w okolicach 0∘, 150∘ i 210∘, wskazując na orientacje, w których sześć anten o ostrych krawędziach podlega największemu wpływowi wiatru. Bliskie pokrycie danych eksperymentalnych i symulowanych potwierdza, że RWIND skutecznie replikuje aerodynamiczne zachowanie anteny, utrzymując średnie odchylenie na poziomie około 5%.
Wnioski
Ogólnie rzecz biorąc, obecne badanie skutecznie waliduje symulację wiatru numerycznego, porównując ją z danymi eksperymentalnymi dla konstrukcji składającej się z sześciu anten o ostrych krawędziach. Wyniki pokazują, że RWIND dokładnie odtwarza wyniki eksperymentalne w pełnym zakresie kierunków wiatru, wskazując na jego skuteczność w przewidywaniu obciążeń wiatrowych na geometrycznie złożonych, smukłych strukturach. Integracja udostępnionych danych współczynnika siły, schematów konstrukcyjnych i wizualizacji pola przepływu CFD oferuje kompleksową i spójną prezentację podejścia badawczego oraz kluczowych wyników.
Dodatkowo, oto przykład z Uniwersytetu RWTH Aachen, który ilustruje modele jednej i trzech anten o ostrych krawędziach:
