Wprowadzenie
Dokładne przewidywanie sił wywoływanych przez wiatr na konstrukcjach antenowych jest kluczowym aspektem inżynierii budowlanej i telekomunikacyjnej, zwłaszcza w przypadku urządzeń o dużej częstotliwości i smukłych, takich jak antena Kathrein 80010804. W niniejszym badaniu przeprowadzono kompleksową walidację symulacji wiatrowych opartych na CFD dla przekroju anteny we współpracy z Uniwersytetem RWTH Aachen. Celem jest ocena wiarygodności wyników numerycznych generowanych przez oprogramowanie RWIND Simulation poprzez porównanie ich z pomiarami w tunelu aerodynamicznym, w tym zarówno testami wewnętrznymi, jak i danymi referencyjnymi opublikowanymi w pracy magisterskiej Uniwersytetu RWTH Aachen [1] i Katalog Kathrein (Obrazy 1 i 2).
Jednym z kluczowych wyzwań w procesie walidacji jest wrażliwość zachowania aerodynamicznego na liczbę Reynoldsa, szczególnie przy małych kątach ataku wiatru (np. 0° i 180°), gdzie dominują zjawiska oddzielania i ponownego przyłączania przepływu. Wydajność aerodynamiczna w tych orientacjach jest silnie uzależniona od reżimu przepływu, chropowatości powierzchni i skali fizycznego modelu, co prowadzi do rozbieżności między wynikami CFD a wynikami eksperymentalnymi.
Niniejsze badanie walidacyjne nie tylko służy do porównania RWIND, ale także przyczynia się do doskonalenia najlepszych praktyk w symulacji złożonych geometrii antenowych pod wpływem obciążenia wiatrem. Wyniki podkreślają znaczenie uwzględniania efektów Reynoldsa, warunków brzegowych i wierności geometrii w celu uzyskania znaczącej zgodności z danymi eksperymentalnymi.
![Symulacje CFD dla analizy obciążeń wiatrem konstrukcji antenowych: walidacja poprzez badania w tunelu aerodynamicznym [1]](/pl/webimage/057701/4702092/Image.png?mw=760&hash=ec9a55cdca40d30b4481aa04757df3b01dc1fa64)
Opis
W bieżącym przykładzie walidacyjnym badany jest współczynnik siły zarówno dla symulacji CFD w RWIND, jak i badania eksperymentalnego [1] z Uniwersytetu RWTH Aachen. Model reprezentuje przekrój anteny Kathrein 80010804 w RWIND, umieszczony nad powierzchnią siatki, która służy jako płaszczyzna podłogi tunelu wiatrowego. Model zawiera kilka etykiet wymiarowych, wskazujących na konkretne pomiary na Obrazie 3. Całkowita wysokość anteny wynosi 1,50 m, a szerokość (b) to 0,3 m; podstawa jest podniesiona o 0,20 m od ziemi, jak pokazano na Obrazie 3. Ważne jest, aby zauważyć, że obszar odniesienia jest uznawany za stały we wszystkich kierunkach wiatru, zgodnie z poniższym wzorem:
Dane wejściowe i założenia
Wymagane założenie do symulacji wiatrowej jest zilustrowane w poniższej tabeli:
| Tabela 1: Stosunek wymiarowy i dane wejściowe | |||
| Prędkość wiatru | V | 14 - 41 | m/s |
| Wysokość | H | 1.5 | m |
| Prześwit dolny | Szczelina | 0.20 | m |
| Gęstość powietrza - RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Kierunki wiatru | θwiatr | 0o do 360o co 30o | Stopień |
| Model turbulencji - RWIND | Steady RANS k-ω SST | - | - |
| Lepkość kinematyczna - RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Kolejność schematu - RWIND | Druga | - | - |
| Wartość docelowa reszty - RWIND | 10-4 | - | - |
| Typ reszty - RWIND | Ciśnienie | - | - |
| Minimalna liczba iteracji - RWIND | 800 | - | - |
| Warstwa graniczna - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ funkcji ścianowej - RWIND | Wzmocniona / Mieszana | - | - |
| Intensywność turbulencji | I | 5% | - |
Studium siatki obliczeniowej
Badanie siatki obliczeniowej jest niezbędne w analizie CFD, ponieważ bezpośrednio wpływa na dokładność i wiarygodność wyników. Podczas gdy dobrze wyrafinowana siatka poprawia precyzję, nadmierne uściślenie zwiększa koszt obliczeniowy bez większych korzyści. Dlatego badania wrażliwości siatki pomagają znaleźć optymalną równowagę między dokładnością a efektywnością, umożliwiając lepsze podejmowanie decyzji przy praktycznym wykorzystaniu zasobów. Tabela wyświetlana w dolnym prawym rogu porównuje różne gęstości siatki, od 15% do 55%, wraz z odpowiadającymi im współczynnikami siły (Cf), jak pokazano na Obrazie 4.
Więcej informacji o badaniu siatki obliczeniowej:
Wyniki i dyskusja
Obraz 5 porównuje współczynnik siły Cf w modelu anteny, bazując na pomiarach w tunelu aerodynamicznym i wynikach RWIND przy prędkościach wiatru 14 m/s i 41 m/s. Obie symulacje (14 m/s i 41 m/s) naśladują trend eksperymentalny, co potwierdza prawidłową wrażliwość na orientację przepływu, ale nieznacznie niedoceniają wartości szczytowe, z odchyleniami odpowiednio 10% i 12%. Minimalna wartość Cf występuje przy kątach 90∘ i 270∘, a maksymalna przy 180∘, odzwierciedlając ekspozycję na wiatr. Wizualizacja CFD pokazująca oddzielanie przepływu potwierdza wyniki. Liczba Reynoldsa wpływa na oddzielanie, turbulencje i zrzut wirów. Nawet małe różnice w Re między CFD (przy 14 m/s i 41 m/s) a tunelem aerodynamicznym mogą powodować zmiany w rozkładzie ciśnienia, zwłaszcza w sekcjach zaokrąglonych naroży. RWIND może nie w pełni odtwarzać efektów Reynoldsa z powodu złożoności fizyki. Porównanie podkreśla rozsądną zgodność, z niewielkimi odchyleniami spowodowanymi efektami liczby Reynoldsa.
Więcej informacji o obliczaniu współczynnika siły wiatru w RWIND:
Wnioski
Ogólnie rzecz biorąc, niniejsze badanie potwierdza symulację numeryczną wiatru dla przekroju anteny Kathrein 80010804 poprzez porównanie wyników RWIND z danymi eksperymentalnymi dostarczonymi we współpracy z Uniwersytetem RWTH Aachen. Porównanie potwierdza, że RWIND wiarygodnie rejestruje współczynnik siły aerodynamicznej anteny z zaokrąglonymi narożami we wszystkich kierunkach wiatru, demonstrując jej zdolność do symulowania obciążeń wiatrowych na smukłych, zakrzywionych geometriach. Rozsądna zgodność między symulowanymi i mierzonymi współczynnikami siły podkreśla dokładność modelu.
Dodatkowo, oto przykład z Uniwersytetu RWTH Aachen ilustrujący modele anten pojedynczej i z trzema ostrymi krawędziami:
