H.1.9. Dados de Medição para Cargas de Vento em Seções Transversais de Pontes (Exemplo 9.6 do WTG)

História do Utilizador

Este exemplo apresenta dados experimentais e numéricos para as forças aerodinâmicas atuantes em secções transversais de tabuleiros de pontes [1]. Estes dados são amplamente utilizados como referências de benchmark para validar simulações CFD e para avaliar o comportamento aeroelástico em aplicações de engenharia eólica. O escoamento em torno de secções transversais de pontes representa um problema aerodinâmico complexo que envolve separação do escoamento, interação da camada de corte e desenvolvimento da esteira. Dependendo da geometria e do ângulo de ataque, podem ocorrer efeitos aerodinâmicos estacionários e não estacionários, incluindo emissão de vórtices, galope e flutter.

Em comparação com corpos rombudos simples, os tabuleiros de pontes exibem um comportamento do escoamento altamente dependente da geometria. Pequenos detalhes geométricos (por exemplo, nitidez das arestas, guarda-corpos, carenagens) podem influenciar significativamente a distribuição de pressão e os coeficientes de força. Portanto, a previsão precisa destes efeitos é particularmente desafiante para simulações numéricas. Este exemplo está fundamentalmente relacionado com o Grupo 4, pois aborda fenómenos aeroelásticos, particularmente o flutter e o comportamento de interação fluido-estrutura (FSI) de secções transversais de pontes. No entanto, como uma simulação FSI bidirecional totalmente acoplada não está atualmente disponível no RWIND, uma representação direta dos efeitos aeroelásticos não é viável.

Portanto, é adotada uma abordagem simplificada. Consequentemente, este exemplo é tratado no RWIND como pertencente ao Grupo 1, de acordo com Figura 2.2 no WTG-Merkblatt M3, com base na avaliação da velocidade média do vento e respetivas quantidades aerodinâmicas médias:

• G1: Valores qualitativos com baixos requisitos de precisão para uso na investigação básica ou projeto preliminar. O esforço e os requisitos para o nível de detalhe são reduzidos, uma vez que, frequentemente, nem todas as condições de fronteira estão totalmente esclarecidas.
• R1: Solteiro (sem edifícios circundantes), análise de direções de vento únicas importantes.
• Z1: Valores médios estatísticos, desde que estes se refiram a processos de escoamento estacionários onde as flutuações (por exemplo, devido à turbulência do escoamento de aproximação) 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.

Descrição

O caso investigado foca-se no comportamento aerodinâmico de uma secção transversal de tabuleiro de ponte submetida a um escoamento incidente estacionário em diferentes ângulos de ataque. O principal objetivo deste estudo é determinar os coeficientes de força aerodinâmica estacionários, com particular ênfase no coeficiente de arrasto C_D. Com base em simulações CFD em regime estacionário, a força de arrasto média atuante na secção transversal é avaliada e subsequentemente adimensionalizada usando a pressão dinâmica de referência e as dimensões características. Isto permite o cálculo de C_D e possibilita uma comparação consistente com dados experimentais, bem como a sua aplicação no projeto estrutural.

Além do coeficiente de arrasto, outros coeficientes globais como a sustentação C_L e o momento C_M podem também ser avaliados para fornecer uma caracterização aerodinâmica mais completa do tabuleiro da ponte. No entanto, o foco principal permanece na previsão precisa de C_D como um parâmetro chave para o carregamento na direção do vento.

1 Convenção Adotada para Forças do Vento

O ponto de partida é a pressão dinâmica do vento, definida como q_o=1/2 ρU², onde ρ é a massa volúmica do ar e U é a velocidade média do vento. Esta quantidade representa a energia cinética do escoamento de ar por unidade de volume e serve como referência para todas as cargas aerodinâmicas.

Tabela 1: Dados de entrada das secções da ponte

Estudo da Malha Computacional

A Figura 2 apresenta uma análise de sensibilidade da malha de um modelo cilíndrico no RWIND. O coeficiente de força calculado (Cf) diminui ligeiramente de 0,76 com uma densidade de malha de 15% para 0,71 a 25%, e ainda 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 Cf com densidades de malha mais altas demonstra convergência geral, sugerindo que um refinamento adicional tem apenas um impacto menor nos resultados.

2 Estudo de Sensibilidade da Malha para o Coeficiente de Força Aerodinâmica (Cf)

Adicionalmente, o estudo da malha computacional precisa de ser realizado de acordo com a seguinte ligação:

• estudo de malha computacional

Requisito de Precisão WTG-Merkblatt M3

O WTG-Merkblatt M3 fornece dois métodos chave para validar resultados de simulação. O Método da Taxa de Acerto 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 falha). Esta abordagem avalia a fiabilidade da simulação calculando uma taxa de acerto q, semelhante às funções de confiança usadas na teoria da fiabilidade. Em contraste, o método do Erro Quadrático Médio Normalizado (e2) oferece uma avaliação de precisão mais detalhada, quantificando o desvio quadrático médio entre os valores simulados e de referência, normalizado para ter em conta as 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

Resultados e Discussão

A Figura 3 ilustra a distribuição de pressão superficial e as forças aerodinâmicas integradas numa placa quadrada bidimensional. A simulação é realizada com uma velocidade de escoamento livre de 8,2 m/s, e os contornos de pressão variam de +32,1 Pa a -45,4 Pa, destacando regiões de pressão positiva e sucção. A janela de informação compara os resultados da geometria CAD original com os do modelo computacional, reportando uma força resultante de 4,8 N juntamente com as suas componentes de força e o correspondente centro de pressão. Este exemplo demonstra a capacidade do RWIND para calcular com precisão as distribuições de pressão, integrar as cargas aerodinâmicas e determinar o centro de pressão para fins de validação e transferência de carga estrutural. As cargas aerodinâmicas integradas obtidas do modelo computacional resultam numa força total de 4,8 N, incluindo uma força de arrasto de 2,0 N, que é usada para calcular um coeficiente de arrasto de C_D = 0,073 com base numa área de referência de 0,648 m². Além disso, o centro de pressão calculado fornece a localização da força aerodinâmica resultante atuante no modelo. Em conjunto, estes resultados demonstram a consistência da distribuição de pressão, do cálculo da força integrada e da avaliação do coeficiente aerodinâmico usados para fins de validação.

3 Força de arrasto no RWIND

A Tabela 2 compara os coeficientes de arrasto obtidos a partir das medições experimentais e do RWIND para cinco ângulos de ataque. Para cada caso, são reportados a diferença absoluta (Pi − Oi), o desvio percentual e a conformidade com os critérios de aceitação de ±10% e ±20%. Os resultados mostram uma excelente concordância a −10° e 10°, com desvios de 5,30% e 2,56%, respetivamente. São observadas discrepâncias maiores a −5° e 5°, enquanto o caso a 0° permanece dentro do critério de aceitação de ±20%. Globalmente, 40% dos casos satisfazem o critério de ±10%, enquanto 60% satisfazem o critério de ±20%.

Tabela 2: Comparação do Coeficiente de Arrasto (C_D) Entre o RWIND e Dados Experimentais

A Tabela 3 resume os indicadores estatísticos usados para avaliar a concordância entre as previsões do RWIND e os dados de referência experimentais. A validação baseia-se em 5 pontos de dados, resultando numa Taxa de Acerto de 40% dentro de um desvio de ±10% e de 60% dentro de ±20%. O erro de previsão global é quantificado por um Erro Quadrático Médio Normalizado (NMSE) de 0,00093, um Erro Médio (ME) de -0,0204, indicando uma ligeira subestimação geral pelo RWIND, um Erro Absoluto Médio (MAE) de 0,0204, e uma Raiz do Erro Quadrático Médio (RMSE) de 0,0254. Estas métricas fornecem uma avaliação geral da exatidão preditiva e do viés do modelo CFD em relação às medições experimentais.

Tabela 3. Métricas de Desempenho Estatístico da Validação do RWIND

A Figura 4 compara o coeficiente de arrasto (C_D) obtido a partir de medições experimentais e simulações do RWIND para ângulos de ataque entre −10° e +10°. Ambos os conjuntos de dados exibem uma tendência semelhante em forma de U, com o arrasto mínimo a ocorrer a 0°. O RWIND capta com sucesso o comportamento aerodinâmico geral, mas subestima consistentemente o coeficiente de arrasto, particularmente nos ângulos intermédios (±5°), mostrando boa concordância nos ângulos extremos (±10°). Globalmente, os resultados indicam que o RWIND prevê de forma fiável a tendência qualitativa da variação do arrasto com o ângulo de ataque, embora melhorias adicionais na modelação da turbulência e de parede possam melhorar a sua exatidão quantitativa.

4 Validação experimental das previsões do coeficiente de arrasto do RWIND demonstra boa concordância com medições em túnel de vento nos ângulos de ataque investigados

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Simulação de Vento em Secção Transversal de Ponte (Exemplo 9.6 do WTG)