O RFEM e RWIND são utilizados para gerar um modelo de estrutura de membrana tracionada para que a simulação do vento possa ser iniciada, em conjunto com a implementação de critérios importantes. O RWIND é uma ferramenta poderosa para criar cargas de vento em estruturas gerais e formas complexas. O CFD solver 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. O RFEM é um software técnico bem equipado para criar estruturas de membrana tracionada; considera a análise de forma não linear para superfícies de dupla curvatura pré-esforçadas. A imagem 02 apresenta um fluxograma do 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, recomenda-se o aumento do número mínimo de iterações para alcançar uma melhor convergência (Imagem 03).
Exemplo de Verificação
Para verificar o processo de simulação de vento, é desenvolvido um modelo de dupla curvatura como apresentado 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. Foi aplicada a força de pré-esforço para a escala real de 2,5 kN/m na superfície, e as propriedades mecânicas como o módulo de Young e o 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 apresentadas 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 seguinte apresenta uma dimensão padrão de um túnel de vento [3]. Além disso, os resultados são sensíveis aos tamanhos da malha, sendo que o cálculo deve ser realizado para pelo menos três números diferentes de malhas, e quando os resultados estiverem próximos o suficiente do estágio anterior, é alcançada a independência da malha (Imagem 06).
Uma vista lateral da geração de malha do modelo é apresentada na Imagem 07; como pode ser observado, o algoritmo de refinamento de malha é empregado a uma curta distância da superfície do modelo.
Estudo de Malha Computacional
Os resultados na simulação CFD são sensíveis ao tamanho da malha, portanto a independência da malha deve ser realizada para pelo menos três números diferentes de elementos de malha. Aqui estão os resultados do valor de Cp na linha central da cobertura; como pode ser visto, há diferenças muito pequenas que mostram que os resultados da simulação do vento tornam-se independentes da terceira malha (Imagem 08).
Função de Parede Misturada
O RWIND utiliza a Função de Parede Misturada (BWF), também conhecida como Função de Parede Melhorada (EWF), que apresenta um desempenho muito melhor que a Função de Parede Padrão (SWF). Assim, geralmente o utilizador pode ter certeza de que receberá resultados precisos para a ampla gama de números y+. A BWF não é uma função simétrica. Ten-se uma linha preta sólida (como apresentado na imagem 09), que é a Simulação Numérica Direta (DNS) que estamos a tentar reproduzir. O que pode observar imediatamente é que a EWF é definitivamente muito mais próxima dos dados de DNS do que a 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 enaltecer que o RWIND não é destinado a investigações detalhadas da camada limite que envolvam valores baixos de y+. O RWIND é projetado como uma solução rápida, aproximada e prática, adaptada para os engenheiros civis que podem não ter um conhecimento extenso em CFD e estão interessados em realizar projetos industriais.
O diagrama de pressão médio e o contorno para os dois modelos de turbulência são apresentados nas Imagens 10 e 11. Com base na linha central da cobertura hypar, o diagrama de distribuição de Cpe é representado e comparado com o teste experimental no túnel de vento. O valor de Cp pode ser obtido a partir da 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 aqui apresentado, o modelo de turbulência K-omega apresenta melhor desempenho na previsão do coeficiente de pressão do vento; no estudo atual, o modelo de turbulência K-omega captura os efeitos de desprendimento de vórtices em pressão de vento negativa de elevado gradiente de forma mais eficiente do que os modelos K-epsilon. Recomenda-se a utilização deste modelo de turbulência como uma opção mais precisa em interações vento-estrutura.
