Este guia descreve as etapas essenciais no desenvolvimento de um exemplo de validação para simulação CFD, desde a seleção de um cenário físico adequado até a análise e comparação dos resultados. Seguindo meticulosamente estas etapas, engenheiros e investigadores podem aumentar a credibilidade dos seus modelos CFD, abrindo caminho para a sua aplicação eficaz em diversos domínios, como aerodinâmica, aeroespacial e estudos ambientais.
A criação de um exemplo de validação para simulações de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) em aplicações de engenharia do vento envolve várias etapas específicas, adaptadas às complexidades do escoamento do vento e às suas interações com estruturas e ambientes. Segue-se um guia passo a passo:
1. Definir o Problema de Engenharia do Vento
- Especifique claramente o cenário de engenharia do vento que está a simular, como o escoamento do vento em torno de edifícios, pontes ou outras estruturas.
- Inclua detalhes sobre o terreno, as características da camada limite atmosférica e quaisquer fatores ambientais relevantes.
2. Selecionar um Caso de Referência Adequado
- Escolha um estudo de caso de engenharia do vento bem documentado, com dados experimentais ou de campo fiáveis. Isto pode incluir ensaios em túnel de vento ou medições à escala real.
- O caso deve assemelhar-se de perto ao seu cenário em termos de geometria, escala e condições de vento.
Para o nosso estudo atual, o artigo científico [1] da Journal of Wind Engineering foi escolhido como o caso de referência. O modelo é apresentado na Imagem 1:
3. Desenvolver o Modelo CFD
- Geometria: Crie um modelo digital da estrutura e do terreno circundante. Para edifícios, inclua detalhes como a forma, as características da fachada e as estruturas próximas.
- Malha: Gere uma malha que represente a geometria com precisão, prestando especial atenção às áreas onde se esperam gradientes elevados do escoamento, como cantos e arestas das estruturas.
- Condições de Contorno e Iniciais: Defina condições de contorno que reflitam o perfil do vento (velocidade e direção) a diferentes alturas, variações de temperatura e condições de pressão.
- Definições do Solucionador: Selecione solucionadores e modelos de turbulência adequados (como k-ε ou Large Eddy Simulation) que sejam conhecidos por apresentar bom desempenho em simulações de engenharia do vento.
As premissas iniciais são apresentadas na Tabela 1.
| Velocidade Básica do Vento | V | 10.13 | m/s |
| Altura da Cobertura | h | 6 | m |
| Dimensão Horizontal | α | 6 | m |
| Ângulo da Cobertura | θroof | 0 | Degree |
| Densidade do Ar – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Direções do Vento | θwind | 0 | Degree |
| Modelo de Turbulência – RWIND | Steady-State RANS k-ω SST | - | - |
| Viscosidade Cinemática (Equation 7.15, EN 1991-1-4) – RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Ordem do Esquema – RWIND | First and Second | - | - |
| Valor-Alvo do Resíduo - RWIND | 10-4 | - | - |
| Tipo de Resíduo – RWIND | Pressure | - | - |
| Número Mínimo de Iterações – RWIND | 800 | - | - |
| Camada Limite – RWIND | NL | 10 | - |
| Tipo de Função de Parede – RWIND | Standard | - | - |
4. Executar a Simulação
- Realize simulações considerando análises em regime estacionário e transitório, uma vez que o escoamento do vento pode apresentar variações temporais significativas.
- Certifique-se de que a simulação decorre durante tempo suficiente para captar a dinâmica relevante do escoamento em torno das estruturas.
5. Processo de Validação
- Comparar com Dados de Referência: Contraste os resultados da simulação com os dados do caso de referência, focando parâmetros como perfis de velocidade do vento, distribuição de pressão nas estruturas e intensidade da turbulência.
- Análise de Erro: Realize uma análise quantitativa para avaliar discrepâncias entre a simulação e os dados de referência.
- Análise de Sensibilidade: Teste como alterações na densidade da malha, nas condições de contorno e nos modelos de turbulência afetam os resultados.
Para o exemplo atual, a análise de sensibilidade é apresentada de acordo com a Imagem 2. Os resultados das forças totais de arrasto são investigados para seis tamanhos de malha diferentes. A independência da malha é obtida com 1,6 milhões de células (Mesh #4). Em CFD, um estudo de convergência da malha ajuda a encontrar o tamanho ótimo da malha (Mesh #4) em que os resultados da simulação (por exemplo, a força de arrasto) se tornam independentes da malha. Utilizar uma malha excessivamente grosseira, como a Mesh #1, pode levar a resultados imprecisos, enquanto malhas demasiado finas podem introduzir erros numéricos e aumentar o tempo de cálculo, como mostrado na Mesh #6 na Imagem 2.
Para identificar a malha ótima que assegura simultaneamente precisão e independência da malha, recomenda-se avaliar pelo menos três tamanhos de malha diferentes. Quando os resultados se estabilizam com malhas mais finas, a solução é considerada fiável e independente da densidade da malha. Também se recomenda consultar referências importantes como ASCE 7-22 Chapter C31 - Wind Tunnel Procedure, Yeo, D. 2020 [2], e Roache [3].
6. Documentação
- Documente exaustivamente a sua metodologia, incluindo as premissas, as condições de contorno e todas as definições relevantes.
- Inclua uma comparação detalhada dos seus resultados com os dados de referência, destacando tanto as concordâncias como as discrepâncias.
7. Aperfeiçoamento Iterativo
- Se existirem desvios significativos em relação aos dados de referência, refine o seu modelo. Isto pode envolver o ajuste da resolução da malha, a modificação dos modelos de turbulência ou a revisão das condições de contorno.
- Repita o processo de simulação e validação até que o modelo preveja de forma fiável o comportamento do escoamento do vento.
8. Considerações para Aplicações de Engenharia do Vento
- As simulações CFD de engenharia do vento frequentemente precisam de considerar fenómenos complexos, como desprendimento de vórtices, buffeting e efeitos de esteira.
- A topologia urbana, os efeitos do terreno e as condições de estabilidade atmosférica podem influenciar significativamente o escoamento do vento e devem ser incluídos no modelo quando relevantes.
9. Resultados
O diagrama do valor médio de Cp utilizando a simulação estacionária é obtido para os métodos simplificado e exato de geração de malha no RWIND, bem como para os métodos primeiro e segundo do esquema numérico. Os resultados mostram uma boa concordância entre os métodos experimental e numérico relativamente à referência [1]. As Imagens 3 e 4 mostram o valor médio de Cp ao longo de uma linha especificada nas direções vertical e horizontal.
10. Conclusão
Este processo de validação é crucial para garantir que o seu modelo CFD representa com precisão as complexidades do escoamento do vento em aplicações de engenharia. Ele ajuda a aumentar a confiança nos resultados da simulação, que podem então ser utilizados para decisões de projeto, avaliações de segurança ou estudos de investigação adicionais. O modelo de validação está disponível para descarregar aqui:
