RFEM e RWIND são usados para gerar um modelo de estrutura de membrana têxtil para que a simulação do vento possa ser iniciada, juntamente com a implementação de critérios importantes. RWIND é uma ferramenta poderosa para criar cargas de vento em estruturas gerais e formas complicadas. O solver CFD é um pacote de software OpenFOAM® (versão 17.10), que oferece resultados muito bons e é uma ferramenta amplamente utilizada para simulações CFD. O solver numérico está em estado estacionário para fluxo turbulento incompressível, usando o algoritmo SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations).
As cargas de vento são reguladas por normas específicas, como EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7-16, ou NBC 2015. RFEM é um software técnico bem equipado para criar estruturas de membrana têxtil; considera a análise de forma não linear para superfícies de dupla curvatura pré-esforçadas. A imagem 02 apresenta um fluxograma de fluxo de ar numérico e modelagem FEM para realizar um exemplo de verificação sobre estruturas de membrana têxtil.
Para determinar numericamente equações diferenciais parciais, todas as expressões diferenciais (derivadas espaciais e temporais) precisam ser discretizadas. Existe uma ampla gama de métodos de discretização com diferentes abordagens em termos de precisão, estabilidade e convergência. Geralmente, a ordem da discretização ilustra quão precisa é a simulação numérica quando comparada às soluções das equações originais não discretizadas. A discretização numérica de primeira ordem basicamente gera melhor convergência do que o esquema de segunda ordem. No estudo atual, é utilizada a discretização de segunda ordem. Além disso, ao usar o esquema numérico de segunda ordem, recomendamos aumentar o número mínimo de iterações para alcançar melhor convergência (Imagem 03).
Exemplo de Verificação
Para verificar o processo de simulação de vento, um modelo de dupla curvatura é desenvolvido como mostrado em [1] [2], e os resultados são investigados. A escala do modelo de ligeira curvatura é selecionada como 1/25, que é a mesma do modelo experimental na referência [3], ilustrando um telhado hypar de 10 m por 10 m por 1,25 m. A ligeira curvatura é considerada para verificar um exemplo com um ângulo θ=45o. A força de pré-tensionamento para a escala real foi aplicada a 2,5 kN/m na superfície, e propriedades mecânicas como módulo de Young e coeficiente de Poisson são definidas como Ex=1000 kN/m. Ey=800 kN/m. Gxy=100 kN/m, vxy=0,20. A Imagem 04 ilustra a geometria do modelo de dupla curvatura. As informações de entrada e a entrada de velocidade do vento para a simulação CFD são mostradas na Imagem 05.
Dimensão do Túnel de Vento
É importante notar que a dimensão do túnel de vento pode produzir erros se o tamanho do túnel for menor que o tipo padrão. A imagem a seguir mostra uma dimensão padrão de um túnel de vento [3]. Além disso, os resultados são sensíveis aos tamanhos da malha, então o cálculo deve ser realizado para pelo menos três números diferentes de malhas, e quando os resultados estiverem próximos o suficiente do estágio anterior, a independência da grade é alcançada (Imagem 06).
Uma vista lateral da geração de malha do modelo é apresentada na Imagem 07; como pode ser visto, o algoritmo de refinamento de malha é empregado a uma curta distância da superfície do modelo.
Estudo de Grade Computacional
Os resultados na simulação CFD são sensíveis ao tamanho da malha, então a independência da grade deve ser realizada para pelo menos três números diferentes de elementos de malha. Aqui estão os resultados do valor de Cp na linha central do telhado; como pode ser visto, há diferenças muito sutis que mostram que os resultados da simulação do vento tornam-se independentes da terceira grade (Imagem 08).
Função de Parede Misturada
RWIND usa a Função de Parede Misturada (BWF), também conhecida como Função de Parede Melhorada (EWF), que mostra um desempenho muito melhor que a Função de Parede Padrão (SWF). Assim, geralmente você pode ter certeza de que receberá resultados precisos para a ampla gama de números y+. O BWF não é uma função simétrica. Temos uma linha preta sólida (como mostrado na imagem 09), que é a Simulação Numérica Direta (DNS) que estamos tentando reproduzir. O que você pode ver imediatamente é que o EWF é definitivamente muito mais próximo dos dados do DNS do que o SWF. Assim, na região de buffer entre um y+ de 5 e 30, o EWF é definitivamente muito mais preciso comparado ao SWF. É por isso que o EWF é frequentemente recomendado em simulações CFD [4]. No entanto, é importante enfatizar que o RWIND não é destinado a investigações detalhadas da camada limite que envolvam valores baixos de y+. RWIND é projetado como uma solução rápida, aproximada e prática, adaptada para engenheiros civis que podem não ter um conhecimento extenso em CFD e estão interessados em realizar projetos industriais.
10
Cálculo Y+
O diagrama médio de pressão e o contorno para os dois modelos de turbulência são mostrados nas Imagens 10 e 11. Com base na linha central do telhado hypar, o diagrama de distribuição de Cpe é plotado e comparado com o teste experimental em túnel de vento. O valor de Cp pode ser obtido pela seguinte equação, onde P é a pressão do vento no ponto medido, Pref a pressão de referência (pressão atmosférica), ρ é a densidade do ar, e Uref a velocidade de referência igual a 15,3 m/s.
Como mostrado aqui, o modelo de turbulência K-omega mostra melhor desempenho na previsão do coeficiente de pressão do vento; no estudo atual, o modelo de turbulência K-omega captura os efeitos da descolagem de vórtices em pressão de vento negativa de elevado gradiente melhor do que os modelos K-epsilon. Recomendamos usar este modelo de turbulência como uma opção mais precisa em interações vento-estrutura.
