Exemplo de validação do modelo de antena Kathrein 80010804 em cooperação com a Universidade RWTH Aachen

Introdução

A previsão precisa das forças induzidas pelo vento em estruturas de antenas é um aspecto crítico da engenharia estrutural e de telecomunicações, particularmente para dispositivos de alta frequência e esbeltos, como a antena Kathrein 80010804. Neste estudo, uma validação abrangente das simulações de vento baseadas em CFD é realizada para a seção transversal da antena em colaboração com a Universidade RWTH Aachen. O objetivo é avaliar a confiabilidade dos resultados numéricos gerados pelo software RWIND Simulation, comparando-os com medições de túnel de vento, incluindo testes internos e dados de referência publicados na dissertação de mestrado da RWTH Aachen University [1] e técnica Catálogo Kathrein (Imagens 1 e 2).

Um dos principais desafios no processo de validação é a sensibilidade do comportamento aerodinâmico ao número de Reynolds, particularmente em ângulos de ataque do vento baixos (por exemplo, 0° e 180°), onde fenômenos de separação e reanexação do fluxo são dominantes. O desempenho aerodinâmico nessas orientações é altamente dependente do regime de fluxo, rugosidade da superfície e escala do modelo físico, levando a discrepâncias entre os resultados de CFD e as descobertas experimentais.

Este estudo de validação não só serve para avaliar o RWIND, mas também contribui para refinar as melhores práticas para simular geometrias de antenas complexas sob carga de vento. As descobertas destacam a importância de considerar os efeitos de Reynolds, condições de contorno e fidelidade geométrica para alcançar uma concordância significativa com os dados experimentais.

1 Secção de antena Kathrein 80010804

2 Simulações CFD para análise de carga de vento de estruturas de antena: validação através de testes em túnel de vento [1]

Descrição

No exemplo de validação atual, o coeficiente de força para a simulação CFD no RWIND e o estudo experimental [1] da Universidade RWTH Aachen são investigados. O modelo representa a Seção Transversal da Antena Kathrein 80010804 no RWIND, posicionada acima de uma superfície de grade que serve como plano de solo ou piso do túnel de vento. O modelo inclui várias etiquetas dimensionais, indicando medições específicas na Imagem 3. A altura total da antena é de 1,50 m e a largura (b) é de 0,3 m; sua base está elevada 0,20 m do chão, conforme mostrado na Imagem 3. É importante notar que a área de referência é assumida como constante em todas as direções do vento, conforme definido pela seguinte fórmula:

3 Modelo de secção de antena Kathrein 80010804 no RWIND

Dados de Entrada e Suposições

A suposição necessária da simulação de vento é ilustrada na tabela a seguir:

Estudo da Malha Computacional

Um estudo de malha computacional é essencial na análise CFD porque afeta diretamente a precisão e a 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 ótimo entre precisão e eficiência, permitindo uma melhor tomada de decisão com uso prático de recursos. A tabela exibida no canto inferior direito compara várias densidades de malha variando de 15% a 55% e seus respectivos coeficientes de força (C_f) conforme mostrado na Imagem 4.

4 Estudo da malha computacional no RWIND

Para mais informações sobre o estudo da malha computacional:

• estudo de malha computacional

Resultados e Discussão

A imagem 5 compara o coeficiente de força C_f ao longo do modelo de antena, com base em medições de túnel de vento e resultados RWIND em velocidades de vento de 14 m/s e 41 m/s. Ambas as simulações (14 m/s e 41 m/s) seguem a tendência experimental, confirmando correta sensibilidade à orientação do fluxo, mas subestimam ligeiramente os valores de pico, com desvios de 10% e 12%, respectivamente. O mínimo C_f ocorre em 90^∘ e 270^∘, e o máximo é em 180^∘, refletindo a exposição ao vento. A visualização CFD em destaque ilustra a separação de fluxo, apoiando os resultados. O número de Reynolds influencia a separação de fluxo, turbulência e desprendimento de vórtices. Mesmo pequenas diferenças em Re entre CFD (a 14 m/s e 41 m/s) e o túnel de vento podem causar mudanças na distribuição de pressão, especialmente em seções de cantos arredondados. RWIND pode não reproduzir totalmente os efeitos de Reynolds devido à complexidade da física. A comparação destaca uma razoável concordância, com pequenas desvios devido aos efeitos do número de Reynolds.

Para mais informações sobre como calcular o coeficiente de força do vento no RWIND:

• Coeficiente de força do vento no RWIND

5 Comparação do coeficiente de força em direções do vento: RWIND vs. dados de túnel de vento real

Conclusão

No geral, o presente estudo valida a simulação numérica de vento para a seção transversal da antena Kathrein 80010804, comparando os resultados RWIND com os dados experimentais fornecidos em colaboração com a Universidade RWTH Aachen. A comparação confirma que o RWIND captura de forma confiável o coeficiente de força aerodinâmica da antena com cantos arredondados em todas as direções do vento, demonstrando sua capacidade de simular cargas de vento em geometrias esbeltas e curvas. A razoável concordância entre os coeficientes de força simulados e medidos sublinha a precisão do modelo.

Além disso, aqui está o exemplo da Universidade RWTH Aachen que ilustra os modelos de antena de borda única e três bordas afiadas:

• Modelo de validação individual de antena de bordas afiadas da Universidade RWTH de Aachen

• Modelo de validação de antena com três arestas afiadas da Universidade de RWTH Aachen

• Modelo de validação para seis antenas de arestas afiadas da Universidade de Aachen

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Exemplo de antena Kathrein