Princípios importantes na simulação de vento

Artigo técnico sobre o tema análise estrutural e utilização do software Dlubal

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O RWIND 2 é um programa para a geração de cargas de vento com base em CFD (Computational Fluid Dynamics). A simulação numérica do fluxo de vento é gerada em torno de qualquer edifício, incluindo tipos de geometria irregulares ou únicos, para determinar as cargas de vento em superfícies e barras. O RWIND 2 pode ser integrado no RFEM/RSTAB para o cálculo estrutural e dimensionamento ou como uma aplicação autónoma.

O RFEM e o RWIND são utilizados para gerar um modelo da estrutura de membrana tracionada para que a simulação de vento possa ser iniciada juntamente com a implementação de critérios importantes. O RWIND é uma ferramenta poderosa para a criação de cargas de vento em estruturas gerais e formas complicadas. O CFD solucionador é um pacote de software OpenFOAM® (versão 17.10) que oferece muito bons resultados e é uma ferramenta amplamente utilizada para simulações CFD. O solucionador numérico é estado estacionário para fluxos incompressíveis e turbulentos utilizando o algoritmo SIMPLE (Método semi-implícito para equações ligadas à pressão).

As cargas de vento são reguladas por normas específicas, tais como a EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7-16 ou NBC 2015. O RFEM é um software técnico bem equipado para a realização de estruturas de membranas tracionadas; considera a análise de determinação da forma não linear para superfícies pré-esforçadas de dupla curvatura. A Figura 02 apresenta um fluxograma de fluxo de ar numérico e uma modelação FEM para a realização de um exemplo de verificação de estruturas de membranas tracionadas.

Para determinar numericamente equações diferenciais parciais, todas as expressões diferenciais (derivadas no espaço e no tempo) necessitam de ser discretizadas. Existe uma vasta gama de métodos de discretização com diferentes abordagens em termos de precisão, estabilidade e convergência. Geralmente, a ordem da discretização ilustra a precisão da simulação numérica quando comparada com as soluções das equações não discretizadas originais. A discretização numérica de primeira ordem basicamente gera uma convergência melhor do que o esquema de segunda ordem. No presente estudo, é utilizada a discretização de segunda ordem. Além disso, ao utilizar o esquema numérico de segunda ordem, recomendamos aumentar o número máximo de iterações para obter uma melhor convergência (Figura 03).

Exemplo de verificação:

Para verificar o processo para a 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 curva leve é selecionada como 1/25, que é a mesma do modelo experimental na referência [1], que ilustra uma cobertura em hipotermia de 10 m por 10 m por 1,25 m . A curva ligeira é considerada para verificação de um exemplo com um ângulo θ=45o . A força de pré-tração para a escala real foi aplicada sobre a superfície de 2,5 kN/m e as propriedades mecânicas tais como módulo de Young' e relação de Poisson's são definidas como Ex =1000 kN/m. Ey =800 kN/m. Gxy =100 kN/m, vxy =0,20. A Figura 04 ilustra a geometria do modelo de dupla curvatura. As informações de entrada e a velocidade do vento para a simulação CFD são apresentadas na Figura 05.

Dimensão do túnel de vento:

É importante ter em conta que a dimensão do túnel de vento pode produzir erros se o tamanho do túnel for inferior ao do tipo padrão. A figura a seguir mostra a dimensão padrão de um túnel de vento [3]. Além disso, os resultados são sensíveis aos tamanhos de malhas, pelo que o cálculo deve ser realizado para pelo menos três números de malhas diferentes e, quando os resultados são suficientemente próximos da fase anterior, a independência da grelha é alcançada (Figura 6).

Uma vista lateral da geração da malha do modelo é apresentada na Figura 07; como pode ser visto, o algoritmo de refinamento de malha é utilizado a uma distância próxima da superfície do modelo.

Estudo de grelha computacional:

Os resultados da simulação CFD são sensíveis ao tamanho da malha, pelo que a independência da grelha deve ser realizada para pelo menos três números diferentes de elementos da malha. Aqui estão os resultados da determinação do valor Cp na linha central da cobertura; como pode ser visto, existem diferenças muito ligeiras que mostram que os resultados da simulação de vento se tornam independentes da terceira grelha (Figura 08).

Função de parede melhorada:

O RWIND utiliza a Função de parede mista (BWF), também conhecida como Função de parede melhorada (EWF), que mostra um desempenho muito melhor do que a Função de parede padrão (SWF). Assim, geralmente, pode ter a certeza de que obterá resultados precisos para um vasto intervalo de números y+. O BWF não é uma função simétrica. Temos uma linha a preto sólido (como apresentado na imagem 09), que é a simulação numérica direta (DNS) que estamos a tentar reproduzir. O que pode ver de imediato é que o EWF está definitivamente muito mais próximo dos dados DNS do que o SWF. Assim, na região de amortecimento entre y+ de 5 e 30, o EWF é definitivamente muito mais preciso em comparação com o SWF. É por isso que o EWF é frequentemente recomendado em simulações de CFD [4].

O diagrama de pressões médias e o contorno para os dois modelos de turbulência são apresentados nas Figuras 10 e 11. Com base na linha central da cobertura de hipar, o diagrama da distribuição Cpe é representado graficamente e comparado com o teste experimental em túnel de vento. O valor de Cp pode ser determinado pela seguinte equação, onde P é a pressão do vento no ponto medido, Pref a pressão de referência (pressão da atmosfera), ρ é a densidade do ar e Uref a velocidade de referência igual a 15,3 m/s.

Valor Cp

Cp=P-Pref12ρUref2

Como apresentado aqui, o modelo de turbulência K-omega apresenta um melhor desempenho na previsão do coeficiente de pressão do vento; no presente estudo, o modelo de turbulência K-omega captura os efeitos da libertação de vórtices em pressão negativa de vento de alto gradiente melhor do que os modelos K-épsilon. Recomendamos a utilização deste modelo de turbulência como uma opção mais precisa nas interações vento-estrutura.

Autor

Mahyar Kazemian

Mahyar Kazemian

Engenharia de produto

Sr. Kazemian é responsável pelo fornecimento de artigos técnicos, engenharia de produto e marketing para a Dlubal Software, especialmente para a RWIND 2.

Palavras-chave

Simulação de vento Carga de vento Dinâmica de fluidos computacional Estrutura de membrana tracionada Mahyar Kazemian

Referência

[1]   Colliers, J., et al., Prototyping of thin shell wind tunnel models to facilitate experimental wind load analysis on curved canopy structures. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2019. 188: p. 308-322.
[2]   Rizzo, F., et al., Wind action evaluation on tension roofs of hyperbolic paraboloid shape. Engineering structures, 2011. 33(2): p. 445-461.
[3]   Zhang, C., et al., Wind pressure coefficients for buildings with air curtains. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2020. 205: p. 104265.
[4]   What are Wall Functions and How do they work? https://www.youtube.com/watch?v=h5OiFpu0L4M

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  • Atualizado 11 de janeiro de 2023

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O RWIND é um programa para a simulação numérica de fluxos de vento (túnel de vento digital) em torno de edifícios de qualquer geometria e para a determinação das cargas de vento nas suas superfícies. Pode ser utilizado como aplicação autónoma ou em conjunto com o RFEM e o RSTAB para uma análise estrutural completa e dimensionamento.

Preço de primeira licença
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RFEM 5
RFEM

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Software de cálculo estrutural para análise de elementos finitos (AEF) de sistemas estruturais planos e espaciais constituídos por lajes, vigas-parede, cascas, barras (vigas), sólidos e elementos de contacto

Preço de primeira licença
4.350,00 EUR