H.1.8. Dados de Medição para Cargas de Vento em Estruturas Cilíndricas (Exemplo WTG 9.5)

User Story

Este exemplo apresenta medições experimentais de forças aerodinâmicas e distribuição de pressão num cilindro circular, amplamente utilizadas como dados de referência para validar simulações CFD em engenharia do vento. O escoamento em torno de um cilindro circular representa um problema aerodinâmico clássico em que a separação do escoamento, a formação da esteira e os efeitos do número de Reynolds influenciam fortemente as forças aerodinâmicas. Devido a estes fenómenos, superfícies curvas como cilindros são particularmente desafiadoras para simulações numéricas.

Estudos experimentais mostram que os coeficientes aerodinâmicos de um cilindro variam significativamente com o número de Reynolds e a rugosidade da superfície. Em números de Reynolds elevados, típicos de escoamentos de vento atmosférico, as medições frequentemente mostram uma dispersão considerável, indicando que os resultados dependem não só do número de Reynolds, mas também das características da superfície e das condições de turbulência. O exemplo pode pertencer ao Grupo 1, de acordo com Figura 2.2 no WTG-Merkblatt-M3, com base na investigação do valor médio da velocidade do vento:

• G1: Valores qualitativos com baixos requisitos de precisão para utilização na investigação básica ou no projeto preliminar. O esforço e os requisitos relativos ao nível de detalhe são reduzidos, uma vez que frequentemente nem todas as condições de contorno estão totalmente esclarecidas.
• R1: Isolado (sem edifícios envolventes), análise de direções individuais importantes do vento.
• Z1: Valores médios estatísticos, desde que se trate de processos de escoamento estacionários em que as flutuações (por exemplo, devido à turbulência do escoamento incidente) possam ser suficientemente captadas por outras medidas.
• S1: Efeitos estáticos, é suficiente representar o modelo estrutural com o detalhe mecânico necessário, mas sem propriedades de massa e amortecimento.

Description

Este exemplo de validação considera o escoamento em torno de um cilindro circular finito montado verticalmente sobre uma placa plana sob uma velocidade de entrada uniforme, fornecendo um caso de referência simplificado e bem controlado para simulações CFD. O cilindro tem um diâmetro de D = 30 mm e uma altura de L = 180 mm, e está posicionado num domínio semelhante a um túnel de vento, onde o escoamento incidente está alinhado com a direção longitudinal (X), enquanto Y e Z denotam, respetivamente, as direções lateral e vertical. Ao contrário das simulações da camada limite atmosférica (ABL), a condição de contorno de entrada é definida como um perfil de velocidade constante, U(z)=U_o, com uma velocidade do escoamento livre de 𝑈_o=10, o que significa que não existe cisalhamento vertical nem gradiente de velocidade. Esta hipótese elimina a complexidade associada ao desenvolvimento da camada limite e permite uma investigação focada da física fundamental do escoamento em torno do cilindro.

Nas condições de escoamento dadas, o número de Reynolds baseado no diâmetro do cilindro é aproximadamente 𝑅𝑒≈20.000, colocando o escoamento num regime subcrítico em que se espera separação e desprendimento de vórtices. O escoamento incidente uniforme conduz a uma região de estagnação simétrica na frente do cilindro, seguida de separação do escoamento ao longo dos lados e da formação de uma esteira caracterizada por recirculação e desprendimento periódico de vórtices (em simulações transientes). A interação entre o cilindro e a placa plana introduz complexidade adicional através de efeitos próximos da parede e do desenvolvimento de uma camada limite junto ao solo, dependendo da resolução numérica e da abordagem de tratamento da parede.

1 Configuração Experimental e Sistema de Coordenadas (mm)

Tabela 1: Dados de entrada do cilindro circular

Computational Mesh Study

A figura 2 apresenta uma análise de sensibilidade da malha de um modelo cilíndrico no RWIND. O coeficiente de força calculado (C_f) diminui ligeiramente de 0.76 numa densidade de malha de 15% para 0.71 a 25%, e mais para 0.70 a 35%. Esta redução gradual indica que a solução está a estabilizar à medida que a malha é refinada. A pequena variação em C_f em densidades de malha mais elevadas demonstra convergência global, sugerindo que um refinamento adicional tem apenas um impacto menor nos resultados.

2 Análise de Sensibilidade da Malha do Modelo Cilíndrico Mostrando a Convergência do Coeficiente de Força (Cf) com o Aumento da Densidade da Malha

Além disso, o estudo da malha computacional deve ser realizado de acordo com a seguinte ligação:

• estudo de malha computacional

WTG-Merkblatt M3 Accuracy Requirement

O WTG-Merkblatt M3 fornece dois métodos principais para validar resultados de simulação. O método Hit Rate avalia quantos dos valores simulados Pi correspondem corretamente aos valores de referência Oi dentro de uma tolerância definida, utilizando uma abordagem de classificação binária (acerto ou falha). Esta abordagem avalia a fiabilidade da simulação através do cálculo de uma taxa de acerto q, semelhante às funções de confiança usadas na teoria da fiabilidade. Em contraste, o método Normalized Mean Squared Error (e²) oferece uma avaliação de precisão mais detalhada ao quantificar o desvio quadrático médio entre valores simulados e de referência, normalizado para considerar diferenças de escala. Em conjunto, estes 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

Results and Discussion

A figura 3 compara o coeficiente médio de pressão (Cp) do RWIND e os dados experimentais em diferentes direções do vento. Ambos mostram forte concordância nas tendências globais, incluindo estagnação a 0°, queda de pressão devido à separação do escoamento e recuperação em ângulos mais elevados. O Cp mínimo ocorre por volta de 60°–70° e é bem previsto pelo RWIND. No entanto, o RWIND subestima ligeiramente a sucção na região da esteira em direções de vento mais elevadas. No geral, os resultados indicam boa precisão global com desvios menores.

3 Coeficiente Médio de Pressão (Cp) vs. Direção do Vento

A comparação entre os coeficientes de pressão do RWIND e os experimentais mostra concordância muito boa para direções do vento entre 0° e 100°, onde os desvios permanecem abaixo de 10% e todos os pontos de dados cumprem tanto o critério de taxa de acerto de 10% como o de 20%. As maiores discrepâncias ocorrem na região da esteira (110°–180°), onde o RWIND subestima sistematicamente a sucção, conduzindo a desvios mais elevados de até aproximadamente 43%.

No geral, 58% dos resultados situam-se dentro de uma faixa de desvio de 10% (e 20%). As métricas globais de erro (e² = 0.05, MAE = 0.12, RMSE = 0.16) indicam uma precisão preditiva aceitável, com o desvio concentrado בעיקר na região de escoamento separado.

Tabela 2: Comparação do Coeficiente de Pressão (Cp) entre RWIND e Dados Experimentais

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Exemplo 9.5 de WTG – Estrutura Cilíndrica