Introdução
No campo da engenharia do vento, a modelação precisa e a validação são críticas para garantir a integridade estrutural e o desempenho aerodinâmico de várias estruturas sensíveis ao vento, tais como antenas (Imagem 1). Essas estruturas, frequentemente caracterizadas por sua geometria esbelta, peso leve e altura considerável, são inerentemente vulneráveis às cargas de vento. Mesmo condições de vento moderadas podem impor forças significativas em tais elementos devido à sua grande relação superfície-massa. As antenas, em particular, requerem atenção cuidadosa durante o processo de dimensionamento e análise para garantir a sua estabilidade, funcionalidade e segurança ao longo do tempo. Os testes em túnel de vento, simulações computacionais e medições de campo são utilizados de forma comum para prever pressões de vento e respostas com precisão. São essenciais as avaliações e estratégias de mitigação adequadas, não apenas para prevenir danos estruturais, mas também para manter um desempenho operacional contínuo, especialmente para aplicações críticas de comunicação ou monitorização. No exemplo de validação atual, é investigado o coeficiente de força para simulação CFD no RWIND e no estudo experimental [1] da Universidade RWTH Aachen.
Para solucionar esses desafios, é necessária uma validação rigorosa de modelos computacionais para garantir que as previsões teóricas se alinham com o desempenho no mundo real. Um exemplo disso é a validação de simulações de carga de vento em antenas através de testes experimentais e análise de dinâmica de fluidos computacional (CFD). Este processo permite que os engenheiros refinem seus modelos, melhorem a precisão e aumentem a confiabilidade geral das estruturas da antena em várias condições ambientais.
Em colaboração com a Universidade RWTH Aachen, uma instituição líder em engenharia e ciências aplicadas, são realizados estudos práticos em estruturas de antena expostas a cargas de vento. Ao combinar abordagens teóricas com dados empíricos, a pesquisa visa preencher a lacuna entre simulação e realidade, contribuindo para o desenvolvimento de designs de antenas mais seguros e resilientes. Este estudo ressalta a importância da validação na engenharia do vento, demonstrando como a colaboração entre a academia e a indústria pode levar a técnicas de modelação mais precisas e a um melhor desempenho estrutural em aplicações do mundo real.
Descrição
No exemplo de validação atual, é investigado o coeficiente de força para a simulação CFD no RWIND e o estudo experimental [1] da Universidade RWTH Aachen. O modelo representa três antenas de bordas afiadas em RWIND, posicionadas acima de uma superfície de grade que serve como plano de solo ou piso do túnel de vento. O modelo inclui várias etiquetas dimensionais em magenta, indicando medições específicas: a altura total da antena é de 0,50 m; a sua base está elevada 0,20 m do chão, como apresentado na imagem 2.
Dados de Entrada e Suposições
A suposição necessária para a simulação do vento é ilustrada na tabela seguinte:
| Tabela 1: Razão Dimensional e Dados de Entrada | |||
| Velocidade do Vento | V | 10 | m/s |
| Altura | h | 0,5 | m |
| Espaço Inferior | Espaço | 0,20 | m |
| Densidade do Ar - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Direções do Vento | θvento | 0o a 360o com passo de 30o | Graus |
| Modelo de Turbulência - RWIND | RANS k-ω SST Estacionário | - | - |
| Viscosidade Cinemática - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Ordem do Esquema - RWIND | Segundo | - | - |
| Valor Residual alvo - RWIND | 10-4 | - | - |
| Tipo de Resíduo - RWIND | Pressão | - | - |
| Número Mínimo de Iterações - RWIND | 800 | - | - |
| Camada Limite - RWIND | NL | 10 | - |
| Tipo de Função de Parede - RWIND | Avançada / Misturada | - | - |
| Intensidade da Turbulência | I | 3% | - |
Estudo de Malha Computacional
Um estudo de malha computacional é essencial na análise CFD porque afeta diretamente a precisão e confiabilidade dos resultados. Enquanto uma malha bem refinada melhora a precisão, um refinamento excessivo aumenta o custo computacional sem muito benefício. Portanto, estudos de sensibilidade de malha ajudam a encontrar o equilíbrio ideal entre precisão e eficiência, permitindo melhor tomada de decisão com uso prático de recursos. A tabela exibida no canto inferior direito compara várias densidades de malha, variando de 10% a 30%, e seus coeficientes de força correspondentes (Cf).
Mais informações sobre o estudo da malha computacional:
Resultados e Discussão
A Imagem 4 apresenta uma análise comparando os dados experimentais e simulados relacionados com o coeficiente de força do vento atuando na estrutura da antena. No centro da imagem, um gráfico de linhas ilustra a variação do coeficiente de força Cf em função da direção do vento θ, medida em graus de 0∘ até 360∘. O eixo vertical representa o coeficiente de força Cf, variando de 0,0 a 1,0, e o eixo horizontal representa as direções do vento em intervalos de 30 graus. São representados no gráfico dois conjuntos de dados: a linha preta com marcadores triangulares representa medições experimentais, enquanto a linha verde com marcadores circulares representa resultados de simulação obtidos utilizando o RWIND.
Mais informações sobre como calcular o coeficiente de força do vento no RWIND:
O gráfico mostra que tanto os resultados experimentais quanto os do RWIND seguem uma tendência semelhante, indicando um alto nível de concordância entre os dois. Em geral, o coeficiente de força exibe um comportamento periódico, com quedas notáveis em direções de vento de aproximadamente 60∘ e 180∘, onde os valores de Cf são os mais baixos. Os valores máximos são observados em torno de 0∘, 120∘,240∘, e 330∘, onde a estrutura se encontra sujeita às maiores forças induzidas pelo vento. O alinhamento próximo das duas curvas ilustra que o RWIND captura com precisão a resposta aerodinâmica da estrutura, com um desvio médio relatado em torno de 5% em relação aos dados experimentais.
No geral, o estudo atual investiga de forma efetiva o processo de validação de uma simulação numérica de vento em relação aos resultados experimentais físicos. Mostra que o RWIND tem um desempenho muito eficiente na replicação dos dados experimentais em várias direções de vento, sugerindo a sua aptidão para prever cargas de vento em estruturas verticais esbeltas como mastros de antena. A combinação de dados gráficos, visuais estruturais e simulação do campo de fluxo fornece uma representação clara e equilibrada da metodologia dos resultados dos estudo.
Além disso, o exemplo da uma antena de borda afiada única da Universidade RWTH Aachen encontra-se aqui:
