Para gerar uma malha de volume finito para CFD, o modelo tem de estar topológico correto. No RWIND 3, os contornos do modelo são definidos por triângulos. O termo "superior correto" significa que esses triângulos devem formar uma malha triangular fechada – cada extremidade da malha tem exatamente dois triângulos adjacentes e os triângulos não devem intersectar-se ou tocar-se, exceto nas extremidades comuns e nos vórtices. De facto, a definição exata de um modelo "superior correto" é mais complicada, mas não queremos entrar aqui em todos os detalhes.
Os modelos CAD típicos muitas vezes não são corretos do ponto de vista superior. Os triângulos de um objeto 3D intersectam-se com triângulos de outros objetos, o contorno do modelo não está fechado etc. O pré-processamento de tais modelos para uma análise CFD pode ser muito extenso e requer 60 a 80% do tempo dos engenheiros. Simplificar este trabalho é, portanto, uma das pontos mais fortes do RWIND 3. Isto foi alcançado através da implementação do chamado modelo simplificado. O modelo simplificado é representado por uma malha especial "shrink-wrapping" do modelo original. Esta malha está topolicamente correta e pode, portanto, ser utilizada como fronteira do modelo para a geração de uma malha 3D de volume finito para o cálculo CFD.
Tipos de malha de modelo
No RWIND 3 existem 5 tipos de malha, cada um com a sua função no processo de cálculo. Aqui está uma vista geral, ordenada da malha do modelo original do RFEM 6 para a malha computacional do RWIND 3:
Malha do modelo original
Malhas criadas a partir da malha de MEF original no RFEM 6. Existem dois tipos:
- M1: Malha baseada na malha MEF do modelo RFEM 6 ou no modelo stl importado.
- M2: Malha refinada para uma melhor representação gráfica dos resultados no modelo original. O RWIND 3 refina a malha do modelo original para uma melhor transição dos resultados da malha computacional da superfície para o modelo original.
Malha de modelo simplificado
A malha gerada pelo RWIND 3
- M3: A malha criada por shrink-wrapping melhora topograficamente a malha M1. O processo de shrink-wrapping cria um modelo simplificado da estrutura complexa, reduzindo o nível de detalhe do modelo original. A malha shrink-wrapping é então utilizada como malha de fronteira de entrada para o cálculo CFD no OpenFOAM.
Malha de modelo computacional
Malha geradas pelo OpenFOAM. Existem dois tipos:
- M4: Malha computacional de superfície criada pelo OpenFOAM com base na malha M3, a base (malha de contorno) para a geração da malha 3D de volume M5. Após o cálculo os resultados da superfície são exibidos nesta malha de superfície (malha computacional).
- M5: Malha 3D de volume gerada por ajusteHexMesh com base na malha da superfície de contorno (M4). Para saber mais sobre o processo de geração de malha siga o link aqui. A malha M5 preenche o domínio de fluxo 3D em torno do modelo e, após o cálculo, são exibidos os resultados do campo de fluxo na mesma.
Simplificação do modelo
O modelo simplificado corrige automaticamente a maioria dos problemas que, de outra forma, teriam de ser corrigidos manualmente. Estes problemas incluem:
- Detalhes desnecessários (ver Ponto 1 na imagem Imperfeições topológicas): detalhes que não são relevantes para a simulação dada e podem causar instabilidade no cálculo devido a uma discretização insuficientemente fina.
- Interseção de triângulos (ver ponto 2)
- Abrir bordas e superfícies com espessura zero (ver Ponto 3)
- Aberturas através das quais o fluido (vento) flui para o interior do edifício (ver Ponto 4)
A imagem de modelos simplificados abaixo mostra alguns exemplos de modelos corrigidos automaticamente.
Ao simplificar o modelo, é possível especificar o nível de detalhe, bem como o tamanho máximo das aberturas a serem fechadas. A utilização de um modelo simplificado para determinar a carga de vento num edifício baseia-se no seguinte pressuposto: se o modelo simplificado se aproximar bem da forma do modelo original, a carga calculada para o modelo simplificado também se aproximará dos valores corretos.
Embora a utilização do modelo simplificado seja sugerida na maioria dos casos, o utilizador pode desativar esta opção e utilizar os limites do modelo importado para o cálculo. No entanto, esta opção apenas é recomendada para utilizadores avançados com experiência em análises CFD.
Extrapolação de resultados
Após o cálculo, temos os resultados na malha computacional e necessitamos de os transferir para a superfície do modelo original (ou seja, a "Malha original"). Para isso, o RWIND utiliza o processo de extrapolação descrito abaixo.
O processo de extrapolação pode ser dividido em duas secções principais:
1. Determinação dos triângulos de contorno
O processo de extrapolação inicia-se através da localização dos triângulos de contorno da malha na superfície do modelo. Procuramos triângulos cujo centro de gravidade esteja suficientemente próximo da malha original. Durante este processo, são tidos em consideração determinados critérios, por exemplo, os triângulos não devem estar sobrepostos etc.
2. Extrapolação da pressão na malha do modelo original
De seguida, para cada triângulo de contorno da malha original, encontramos um ponto adequado na malha computacional e determinamos aí o valor da pressão.
To find a point on the computational mesh, we first construct the normal n at the center of the triangle S, then find a resulting point at the intersection of the normal n with the triangle of the computational mesh, see imagem abaixo. Se o ponto resultante não puder ser encontrado desta forma, será considerado o ponto mais próximo possível na área circundante.
Se conseguirmos encontrar um ponto adequado na malha computacional, utilizamos o valor da pressão desse ponto e transferimos-o para todo o triângulo da malha original, ver imagem. O resultado deste processo são os valores de pressão em cada triângulo da malha do modelo original. Na superfície do modelo, esses valores são diferentes de zero (valores positivos = pressão, valores negativos = sucção) e no resto do modelo a pressão é zero. É então possível calcular as forças que atuam nos centros dos triângulos devido à pressão induzida pela superfície dos triângulos. A direção da força encontra-se na direção normal ao triângulo.
Verificação da malha computacional antes do cálculo
O RWIND tem os parâmetros de malha computacional muito bem definidos por defeito para muitos modelos (nível de detalhe etc.), mas o conjunto de aplicações do RWIND é muito vasto e nem todos os modelos encontram as configurações padrão como ideais.
Se suspeitar que o nosso modelo requer configurações mais específicas (por exemplo, os detalhes do edifício desempenham um papel importante na simulação do fluxo de vento), é uma boa ideia verificar a malha computacional antes de calcular. A imagem seguinte mostra como apresentar ambas as malhas.
Algumas dicas sobre o que deve ter em atenção:
- Se a malha computacional gerada capturou suficientemente a geometria do modelo ou se a simplificação é muito alta, ver imagem abaixo.
