Como realizar um exemplo de validação no RWIND

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

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Criar um exemplo de validação para a dinâmica dos fluidos computacional (CFD) é um passo crítico para garantir a precisão e a fiabilidade dos resultados da simulação. Este processo envolve comparar os resultados de simulações CFD com dados experimentais ou analíticos de cenários do mundo real. O objetivo é determinar se o modelo CFD consegue replicar fiavelmente os fenómenos físicos que se destina a simular. Este guia descreve os passos essenciais no desenvolvimento de um exemplo de validação para uma simulação CFD, desde a seleção de um cenário físico adequado até à análise e comparação dos resultados. Seguindo minuciosamente estes passos, engenheiros e investigadores podem aumentar a fiabilidade dos seus modelos CFD, abrindo caminho para a sua aplicação eficaz em diversas áreas, tais como a aerodinâmica e a análise espacial.

A criação de um exemplo de validação para simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) em aplicações de engenharia de vento envolve várias etapas específicas, adaptadas às complexidades do fluxo de vento e às suas interações com estruturas e ambientes. Aqui'um guia passo a passo:

1. Definir o problema de engenharia de vento

  • Especifique claramente o cenário de engenharia de vento que está a simular, tal como o fluxo de 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. Selecione um caso de referência apropriado

  • Escolha um estudo de caso de engenharia eólica bem documentado com dados experimentais ou de campo fiáveis. Podem ser testes em túneis de vento ou medições à escala real.
  • O caso deve assemelhar-se bastante ao seu cenário em termos de geometria, escala e condições de vento.

Para o nosso presente estudo, foi escolhido como caso de referência o artigo científico {%>

3. Desenvolvimento do modelo CFD

  • Geometria: crie um modelo digital da estrutura e do terreno envolvente. Para edifícios, inclua detalhes como a forma, as características da fachada e as estruturas próximas.
  • Malha : crie uma malha que capte a geometria com precisão, prestando especial atenção às áreas onde são esperados gradientes de fluxo elevados, tais como cantos e extremidades de estruturas.
  • Condições de fronteira e iniciais: defina as condições de fronteira que refletem o perfil do vento (velocidade e direção) em diferentes alturas, variações de temperatura e condições de pressão.
  • Configuração do solucionador: selecione solucionadores adequados e modelos de turbulência (por exemplo, k-ε ou simulação de grandes escalas de turbulência) que tenham um bom desempenho nas simulações de engenharia de vento.

As suposições iniciais são consideradas conforme a Tabela 1.

Tabela 1: Relação dimensional e dados de entrada
Podstawowa prędkość wiatru V 10,13 m/s
Altura média da cobertura [SCHOOL.] 6 m
Dimensão horizontal (distância da borda) α 6 m
Cantoneira de cobertura θCobertura 0 Graus
Densidade do ar – RWIND ρ 1,25 kg/m3
direções do vento θVento 0 Graus
Modelo de turbulência – RWIND RANS estável k-ω SST - -
Viscosidade cinemática (Equação 7.15, EN 1991-1-4) – RWIND ν 1,5*10-5 m2/s
Ordem do esquema - RWIND 1º e 2º - -
Valor residual – RWIND 10-4 - -
Tipo de residual – RWIND Pressão - -
Número mínimo de iterações - RWIND 800 - -
Camada limite - RWIND NL 10 -
Tipo de função de parede - RWIND Melhorado/Combinado - -

4. Executar a simulação

  • Efetue as simulações considerando uma análise estacionária e uma análise transitória, uma vez que o fluxo de vento pode ter variações temporais significativas.
  • Certifique-se de que a simulação é executada o tempo suficiente para captar a dinâmica do fluxo relevante em torno dos corpos.

5. Processo de validação

  • Comparação com dados de referência: Compare os resultados da sua simulação com os dados do caso de referência, focando-se em parâmetros como perfis de velocidade do vento, distribuição de pressão em estruturas e intensidade de turbulência.
  • Análise de erros: Efetue uma análise numérica para avaliar as discrepâncias entre a sua simulação e os dados de referência.
  • Análise de sensibilidade: teste como as alterações na densidade da malha, nas condições de fronteira e nos modelos de turbulência afetam os seus resultados.

Para o presente exemplo, a análise de sensibilidade é apresentada de acordo com a Figura 2. Os resultados das forças de arrasto totais são investigados para quatro malhas diferentes. A malha de independência é obtida para 1,6 milhões de células.

6. Documentação

  • Documente completamente o seu método, incluindo suposições, condições de fronteira e todas as configurações relevantes.
  • Inclua uma comparação detalhada dos seus resultados com os dados de referência, destacando as concordâncias e as discrepâncias.

7. Refinamento iterativo

  • Se houver desvios relevantes em relação aos dados de referência, pode refinar o seu modelo. Isso pode envolver o ajuste da resolução da malha, a modificação dos modelos de turbulência ou a revisão das condições de fronteira.
  • Repetir o processo de simulação e validação até que o modelo preveja de forma fiável o comportamento do fluxo de vento.

8. Considerações para aplicações de engenharia de vento

  • Geralmente, as simulações CFD de engenharia de vento têm de ter em consideração fenómenos complexos, tais como desprendimento de vórtices, oscilações e efeitos de estribo.
  • A topologia urbana, os efeitos do terreno e as condições de estabilidade atmosférica podem influenciar significativamente o fluxo de vento e devem ser incluídos no modelo quando relevantes.

9. Resultados

O diagrama do valor Cp médio usando simulação estável é realizado para o método de geração de malha simplificado e exato no RWIND e também para o primeiro e o segundo métodos do esquema numérico. Os resultados mostram uma boa concordância entre os métodos experimental e numérico em relação à referência {%>

10. Conclusão

Este processo de validação é crucial para garantir que o seu modelo CFD represente com precisão as complexidades do fluxo de vento nas aplicações de engenharia. Isso ajuda a aumentar a confiança nos resultados da simulação, que podem depois ser utilizados para decisões de dimensionamento, avaliações de segurança ou outros estudos de investigação. O modelo de validação está disponível para download aqui:

Autor

Mahyar Kazemian, M.Sc.

Mahyar Kazemian, M.Sc.

Marketing e engenharia de produto

O Sr. Kazemian é responsável pelo desenvolvimento de produtos e marketing da Dlubal Software, em particular do programa RWIND 2.

Referência

[1]   Richards, P., R. Hoxey, and L. Short, Wind pressures on a 6 m cube. Journal of Wind engineering and industrial aerodynamics, 2001. 89(14-15): p. 1553-1564.

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