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Neste exemplo, vamos calcular o coeficiente médio de pressão do vento (Cp), que pertence ao Grupo 2, de acordo com a Figura 2.2 no WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Valores absolutos com exigências de precisão média. A área de aplicação pode incluir parâmetros ou estudos preliminares quando investigações posteriores com precisão mais elevada estão planejadas (por exemplo, exame em túnel de vento da classe G3).
- R2: Solitário, todas as direções do vento relevantes com resolução direcional suficientemente fina.
- Z2: Valores médios estatísticos e desvios padrão, desde que envolvam processos de fluxo estacionários, para os quais uma verificação estatística das flutuações com um fator de pico é suficiente.
- S1: Efeitos estáticos. Eles são suficientes para representar o modelo estrutural com o detalhe mecânico necessário, mas sem propriedades de massa e amortecimento.
Descrição
Este caso de verificação, baseado no documento do WTG Alemão: Folheto de Fatos do Comitê 3 - Simulação Numérica de Fluxos de Vento, Capítulo 9.2 (ver referências), compara cálculos de dinâmica de fluidos computacional de coeficientes de pressão do vento com dados experimentais do banco de dados aerodinâmico da Universidade Politécnica de Tóquio (TPU) (ver referências). A análise foca em um modelo de edifício alto (proporção 2:1:5). Os dados do túnel de vento da camada limite da TPU – rigorosamente validados através de estudos revisados por pares e acessíveis publicamente via o portal de engenharia do vento deles – fornecem métricas de referência para avaliar a precisão da modelagem de turbulência e efeitos de sensibilidade da malha. Os principais parâmetros de comparação incluem valores médios dos coeficientes de pressão em zonas críticas do edifício (face a favor do vento, paredes laterais, regiões de separação na retaguarda).
| Propriedades do Fluido | Viscosidade Cinemática | ν | 1.500e-5 | m2/s |
| Densidade | ρ | 1.250 | kg/m3 | |
| Túnel de Vento | Comprimento | Dx | 2720.000 | m |
| Largura | Dy | 900.000 | m | |
| Altura | Dz | 720.000 | m | |
| Edifício | Largura | B | 80.000 | m |
| Profundidade | D | 40.000 | m | |
| Altura | H | 200.000 | m | |
| Parâmetros de Cálculo | Velocidade de Referência | uref | 22.000 | m/s |
| Altura de Referência | zref | 10.000 | m | |
| Constante de von Kármán | κ | 0.410 | ||
| Constante de Viscosidade de Turbulência | Cμ | 0.090 | ||
| Comprimento de Rugosidade Aerodinâmica da Superfície | z0 | 1.000 | m |
Solução Analítica
Nenhuma solução analítica está disponível. O exemplo fornece uma comparação dos resultados da simulação RWIND CFD e dados experimentais (Banco de Dados Aerodinâmico da TPU).
O perfil de velocidade do vento é calculado a partir da Lei da Potência segundo a seguinte fórmula:
onde o expoente do perfil α é definido como
A intensidade da turbulência é retirada do Banco de Dados Aerodinâmico da TPU de acordo com o seguinte gráfico para α=0.25.
Configurações da Simulação RWIND
- Modelado no RWIND 3.04
- Tipo de simulação de fluxo transiente
- Densidade da malha é 20% com refinamentos: 5,698,702 células
- Modelo Spalart-Allmaras DDES
- Condição de fronteira de entrada - perfil de velocidade e perfil de intensidade de turbulência
- Fundo do túnel - condição de fronteira de não deslizamento
- Paredes do túnel e topo - condição de fronteira de deslizamento
- Condição de fronteira de saída - pressão zero; gradiente de velocidade zero
Requisito de Precisão do WTG-Merkblatt M3
O WTG-Merkblatt M3 fornece dois métodos principais para validar os resultados da simulação. O Método Taxa de Acerto (q) avalia quantos dos valores simulados Pi correspondem corretamente aos valores de referência Oi dentro de uma tolerância definida, usando uma abordagem de classificação binária (acerto ou erro). Esta abordagem avalia a confiabilidade da simulação calculando uma taxa de acerto q, semelhante às funções de confiança usadas na teoria da confiabilidade. Em contraste, o método do Erro Quadrático Médio Normalizado (e2) oferece uma avaliação de precisão mais detalhada, quantificando o desvio quadrático médio entre valores simulados e de referência, normalizado para levar em conta as diferenças de escala. Juntos, esses métodos fornecem medidas qualitativas e quantitativas para a validação da simulação.
Resultados
Os valores desejados do parâmetro de taxa de acerto q são superiores a 90% e o erro quadrático médio relativo deve ser inferior a 0.01. A partir da tabela a seguir, é claro que a comparação dos dados experimentais da TPU com os resultados da simulação de fluxo no RWIND não atende aos requisitos.
| Superfície | q [%] para Wrel = 10% | q [%] para Wrel = 20% | e2 [1] |
| A favor do vento | 27.3 | 72.7 | 0.035 |
| Lateral direita | 0.0 | 9.1 | 0.114 |
| Lateral esquerda | 27.3 | 45.5 | 0.121 |
| Retaguarda | 0.0 | 0.0 | 0.118 |
Nos gráficos a seguir, os coeficientes médios de pressão do vento obtidos através da simulação RWIND são comparados aos valores médios das séries temporais nos pontos de teste medidos através do Banco de Dados Aerodinâmico da TPU. As comparações são realizadas nas superfícies a favor do vento, lateral direita, lateral esquerda e retaguarda do edifício.
Os gráficos mostram uma concordância muito boa na superfície a favor do vento. Os coeficientes de pressão do vento são cruciais para cargas em edifícios, especialmente nesta superfície. No caso de outras superfícies, observa-se uma boa concordância entre a tendência dos resultados da simulação e o experimento.
Observação: Os dados experimentais mostrados nos gráficos são plotados com base em arquivos de dados obtidos no site TPU. No entanto, os gráficos mostrados no site TPU correspondem aos arquivos de dados apenas no caso da superfície a favor do vento.
