H.1.5.1. Grupo 1: Coeficientes de força e momento

User Story

Neste exemplo, vamos calcular o coeficiente médio de força e momento para Universidade Politécnica de Tóquio (TPU) como um exemplo experimental (M0/S0), tal como aqueles aplicáveis ao processo de projeto estrutural com base na WTG-Merkblatt-M3.

Esta parte dos resultados pertence ao Grupo 1 de acordo com a Figura 2.2 no WTG-Merkblatt-M3:

• G2: Valores absolutos com requisitos de precisão média. A área de aplicação pode incluir parâmetros ou estudos preliminares quando investigações posteriores com maior precisão estão planejadas (por exemplo, exame em túnel de vento da classe G3).
• R2: Solitário, todas as direções de vento relevantes com resolução direcional suficientemente fina.
• Z1: Valores médios estatísticos, desde que digam respeito a processos de fluxo estacionário onde flutuações (por exemplo, devido à turbulência do fluxo de entrada) possam ser capturados suficientemente por outras medidas.
• S1: Efeitos estáticos. É suficiente representar o modelo estrutural com o detalhe mecânico necessário, mas sem propriedades de massa e amortecimento.

Descrição

Ao investigar o comportamento aerodinâmico em diferentes planos, esta comparação visa proporcionar uma compreensão mais abrangente da distribuição de forças. Esses insights são críticos para avaliar a estabilidade geral do modelo, desempenho aerodinâmico e resposta estrutural sob condições de fluxo. As perfis de velocidade média e intensidade de turbulência do fluxo de entrada reproduzidos no túnel de vento correspondem àquelas da Categoria de Terreno IV de acordo com o padrão do Instituto de Arquitetura do Japão (AIJ). O expoente de 0,25 citado em algumas figuras foi classificado como um erro tipográfico após uma investigação. O modelo assumido é mostrado na Imagem 1:

1 Modelo RWIND de exemplo de WTG, parte 9.2

As suposições subjacentes à análise e simulações são resumidas na Tabela 1, proporcionando uma visão clara dos parâmetros e condições consideradas ao longo do estudo.:

Tabela 1: Dados de entrada do modelo retangular 3D

Estudo de Malha Computacional

A Imagem 2 resume um estudo de sensibilidade da malha, mostrando que à medida que a densidade da malha aumenta de 20% para 55%, o coeficiente de força (Cf) aumenta de 0,95 para 1,05 e depois estabiliza. Isso indica que a simulação atinge independência de malha em 55%, significando que maior refinamento não altera mais significativamente os resultados. A imagem destaca a importância da qualidade da malha para garantir resultados confiáveis em simulações de vento.

2 Análise de sensibilidade da malha

Além disso, o estudo de malha computacional precisa ser realizado de acordo com o seguinte link:

• estudo de malha computacional

A Imagem 3 apresenta um diagrama comparando resultados RWIND com dados experimentais, em relação ao traçado de perfis de velocidade de vento normalizados de acordo com a altura. Os resultados mostram uma concordância muito boa.

3 Comparação de perfis de velocidade u/uref em relação à altura

Exigência de Precisão WTG-Merkblatt

O WTG-Merkblatt M3 fornece dois métodos principais para validar resultados de simulação. O Método Taxa de Acerto avalia quantos dos valores simulados P_i correspondem corretamente aos valores de referência O_i dentro de uma tolerância definida, usando uma abordagem de classificação binária (acerto ou não). Esta abordagem avalia a confiabilidade da simulação calculando uma taxa de acerto q, similar a funções de confiança usadas em teoria de confiabilidade. Em contraste, o método de Erro Médio Quadrático Normalizado (e²) oferece uma avaliação de precisão mais detalhada quantificando a desvio quadrático médio entre valores simulados e de referência, normalizado para considerar diferenças de escala. Juntos, esses métodos fornecem medidas qualitativas e quantitativas para a validação da simulação.

• Validação de resultados de simulações utilizando o método de taxa de acerto no WTG-Merkblatt M3

• Avaliação da precisão de resultados utilizando o erro quadrado médio normalizado definido no WTG-Merkblatt M3

Resultados e Discussão

A Tabela 3 mostra uma concordância muito boa para a métrica de validação entre os resultados do RWIND e os dados de referência WTG para valores de velocidade normalizados. Todas as divergências estão em uma faixa aceitável (abaixo de 10%), então a taxa de acerto é obtida q = 100%, e o erro médio quadrático normalizado e² = 0,00001 é extremamente baixo. Esses resultados confirmam que o RWIND reproduz com precisão o perfil de vento de referência e atende aos critérios de validação rigorosos.

Tabela 3: Métrica de Validação para Perfil de Velocidade

A Imagem 4 ilustra como as zonas de superfície são definidas no RWIND para calcular com precisão os coeficientes de força em cada face de um modelo de edifício exposto ao vento. O modelo 3D, com uma forma retangular simples, possui cada face frontal, traseira, esquerda, direita e superior atribuída a uma zona distinta codificada por cores. Essas zonas permitem que o RWIND analise e calcule separadamente as forças aerodinâmicas e a distribuição de pressão de forma independente para cada superfície. Em vez de colocar inúmeras sondas pontuais, optamos por definir zonas de superfície, já que o RWIND pode determinar diretamente o coeficiente de força para cada zona definida.

No centro da Imagem 4, a janela "Editar Zona" está aberta para a Zona No. 2 – Frente, como exemplo. Esta saída detalhada inclui parâmetros aerodinâmicos chave. A área projetada desta zona na direção do vento é de 0.04 m². A força de arrasto calculada nesta superfície é de 1.7 N, e o coeficiente de força correspondente (C_x) é 0.56. Na fórmula a seguir, o coeficiente de força do vento (coeficiente de força aerodinâmica) para uma zona de pressão específica é calculado como exemplo. Este valor pode então ser comparado ao valor exibido na aba Info no diálogo de edição de dados de modelo.

4 Resultados para diferentes zonas

A Imagem 5 mostra os resultados de pós-processamento de uma simulação de vento conduzida para um edifício alto usando o modelo de turbulência k-omega. No lado direito da imagem, uma tabela de comparação exibe os coeficientes de força obtidos da simulação CFD ao lado de valores de referência da diretriz WTG. A superfície frontal possui um coeficiente de força de 0.562, comparado ao referência WTG de 0.540, o que corresponde a um desvio de 4.07%. A superfície traseira, sujeita a pressão negativa devido aos efeitos da esteira, mostra um desvio ligeiramente maior de 6.09%. As superfícies laterais também exibem pequenas diferenças, com desvios variando entre 3.68% e 5.38%. Notavelmente, o coeficiente de força total na direção do vento que representa o efeito de arrasto global mostra apenas um desvio de 1.95%, destacando a precisão e confiabilidade da simulação CFD em capturar o comportamento aerodinâmico geral da estrutura.

Os valores de força reais em newtons para cada face do edifício são exibidos abaixo desta tabela. A superfície frontal é sujeita a uma força de arrasto positiva de 1.7 N, enquanto as superfícies traseira, direita e esquerda experimentam forças negativas devido à sucção e arrasto lateral. A força líquida total na direção do vento é de 3.2 N, correspondendo à saída de força global declarada no resumo da malha. A simulação usou uma velocidade de vento de referência de 11 m/s e uma área de face de 0.04 m².

5 Comparação do coeficiente de força entre o RWIND e o WTG

A Tabela 4 mostra que o RWIND replica com precisão os coeficientes médios de força de referência WTG em todas as superfícies, com desvios variando de 1.95% a 6.09% e q=100% como taxa de acerto. O baixo erro médio quadrático normalizado e2=0.0015 confirma forte concordância entre simulação e medições, atendendo efetivamente aos padrões de validação.

Tabela 4: Métrica de Validação para Coeficientes Médios de Força Entre WTG e RWIND

153x

22x

Exemplo de WTG – Parte 9.2