Introdução
Na engenharia de vento, a modelação precisa e a validação minuciosa são essenciais para manter a estabilidade estrutural e a eficiência aerodinâmica de estruturas sensíveis ao vento, como antenas (Figura 1). Devido à sua forma esguia, baixa massa e altura considerável, essas estruturas são particularmente suscetíveis às forças do vento. Mesmo ventos relativamente suaves podem exercer pressão substancial devido à sua alta relação superfície-massa. Para garantir a segurança, estabilidade e funcionalidade a longo prazo das antenas é necessário um dimensionamento e uma análise detalhados. Para prever com precisão os efeitos induzidos pelo vento, os engenheiros geralmente dependem de testes em túnel de vento, simulações computacionais e medições no local. A avaliação eficiente e a mitigação são cruciais não apenas para evitar falhas estruturais, mas também para garantir desempenho contínuo, especialmente em sistemas vitais de comunicação e monitoramento. No exemplo de validação atual, são investigados o coeficiente de força para a simulação CFD no RWIND e o estudo experimental [1] da Universidade RWTH Aachen.
Para superar esses desafios, é essencial validar rigorosamente os modelos computacionais para garantir que as suas previsões reflitam o comportamento do mundo real. Um exemplo chave é a validação das simulações de carga de vento em antenas usando testes experimentais e simulação CFD. Esta abordagem permite que os engenheiros ajustem modelos, melhorem a precisão das previsões e aumentem a fiabilidade estrutural das antenas em condições ambientais diversas.
Em colaboração com a Universidade RWTH Aachen, uma instituição líder em engenharia e ciências aplicadas, são elaborados 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 a simulação e a realidade, contribuindo para o desenvolvimento de projetos de antenas mais seguros e resilientes. Este estudo destaca a importância da validação na engenharia de 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 nas aplicações do mundo real.
Descrição
No exemplo de validação atual, são investigados o coeficiente de força para a simulação CFD no RWIND e o estudo experimental [1] da Universidade RWTH Aachen. O modelo representa seis antenas com arestas vivas no RWIND, posicionadas acima de uma superfície de grade que serve como plano de apoio 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 base está elevada 0,20 m do solo, conforme mostrado na Figura 2.
Dados de Entrada e Suposições
A suposição necessária da simulação de vento é ilustrada na tabela a seguir:
| Tabela 1: Razão Dimensional e Dados de Entrada | |||
| Velocidade do Vento | V | 10 | m/s |
| Altura | h | 0.5 | m |
| Altura ao solo | Gap | 0.20 | m |
| Densidade do Ar - RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Direções do Vento | θwind | 0o a 360o com passo 30o | Grau |
| Modelo de Turbulência - RWIND | RANS k-ω SST Estacionário | - | - |
| Viscosidade Cinética - RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Ordem do Esquema - RWIND | Segundo | - | - |
| Valor Alvo de Resíduo - 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 | Aprimorada / Misturada | - | - |
| Intensidade da Turbulência | I | 3% | - |
Estudo da Malha Computacional
É essencial um estudo da malha computacional na análise CFD, pois este afeta diretamente a precisão e fiabilidade dos resultados. Enquanto uma malha bem refinada melhora a precisão, o refinamento excessivo aumenta o custo computacional sem muito benefício. Portanto, os estudos de sensibilidade de malha ajudam a encontrar o equilíbrio ideal entre precisão e eficiência, permitindo uma tomada de decisão mais adequada com o uso prático dos recursos. A tabela exibida no canto inferior direito compara várias densidades de malha que variam de 20% a 35% e os seus coeficientes de força correspondentes (Cf).
Para mais informações sobre o estudo da malha computacional:
Resultados e Discussão
A figura 4 apresenta uma análise comparando dados experimentais e simulados relacionados com o coeficiente de força do vento que atua na estrutura complexa 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∘ a 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 aumentando em intervalos de 30 graus, de 0∘ a 360∘. São fornecidos dois conjuntos de dados no gráfico: a linha preta com marcadores triangulares representa as medições experimentais, enquanto a linha verde com marcadores circulares representa os resultados da simulação obtidos usando RWIND.
Para mais informações sobre como calcular o coeficiente de força do vento no RWIND:
A Figura 4 também ilustra que tanto os resultados experimentais quanto os do RWIND seguem uma tendência estreitamente alinhada, refletindo forte concordância entre os dois métodos. No geral, o coeficiente de força Cf demonstra um padrão cíclico à medida que a direção do vento varia, com mínimas claras que ocorrem a aproximadamente 90∘ e 270∘, onde as forças aerodinâmicas são mais fracas. Em contraste, os máximos são evidentes em torno de 0∘, 150∘, e 210∘, indicando orientações em que as seis estruturas de antena com arestas vivas sofrem o impacto de vento mais significativo. A estreita correspondência entre os dados experimentais e simulados confirma que o RWIND replica efetivamente o comportamento aerodinâmico da antena, mantendo uma desvio médio de aproximadamente "'5%"'.
Conclusão
No geral, o presente estudo valida com sucesso a simulação de vento numérica comparando-a com dados experimentais para uma estrutura composta por seis antenas com arestas vivas. Os resultados demonstram que o RWIND reproduz com precisão os resultados experimentais da gama completa de direções do vento, indicando a sua eficácia na previsão de cargas de vento em estruturas esguias e geometricamente complexas. A integração gráfica dos dados do coeficiente de força, esquemas estruturais e visualização do campo de fluxo CFD oferece uma apresentação abrangente e coerente da abordagem dos estudos e dos resultados principais.
Além disso, aqui está o exemplo da Universidade RWTH Aachen que ilustra os modelos de antena com uma e três arestas vivas:
