Descrição
Este caso de verificação, baseado no documento do WTG alemão: Ficha Técnica 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 de 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 por meio de estudos revisados por pares e acessíveis publicamente através do portal de engenharia de vento – fornecem métricas de referência para avaliar a precisão da modelagem de turbulência e efeitos de sensibilidade de grade. Os principais parâmetros de comparação incluem valores médios dos coeficientes de pressão em zonas críticas do edifício (face a barlavento, paredes laterais, regiões de separação a sotavento).
| Propriedades do Fluido | Viscosidade Cinética | 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
Não está disponível uma solução analítica. O exemplo fornece uma comparação dos resultados de 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 de acordo com a seguinte fórmula:
onde o expoente do perfil α é definido como
A intensidade de turbulência é retirada do Banco de Dados Aerodinâmico da TPU de acordo com o seguinte gráfico para α=0.25.
Configurações de Simulação RWIND
- Modelado no RWIND 3.04
- Tipo de simulação de fluxo transiente
- Densidade de malha é de 20% com refinamentos: 5.698.702 células
- Modelo DDES de Spalart-Allmaras
- Condição de contorno de entrada - perfil de velocidade e perfil de intensidade de turbulência
- Fundo do túnel - condição de contorno de não-deslizamento
- Paredes e topo do túnel - condição de contorno de deslizamento
- Condição de contorno de saída - pressão zero; gradiente de velocidade zero
Resultados
A métrica de validação é calculada de acordo com WTG: Ficha Técnica do Comitê 3 - Simulação Numérica de Fluxos de Vento, Capítulo 5.3.2 (ver referências). Primeiro, calcula-se o valor do parâmetro de taxa de acerto q para o valor médio do coeficiente de pressão. Considera-se a desvio relativo Wrel.
|
N |
Total number of data points |
|
ni |
Indicator function (1 if prediction is “correct”, 0 otherwise) |
|
Pi |
Predicted value |
|
Oi |
Reference value |
|
Wrel |
Allowed relative deviation |
Alternativamente, o erro quadrático médio relativo e2 também pode ser calculado de acordo com a seguinte fórmula.
Os valores desejados do parâmetro de taxa de acerto q são mais de 90% e o erro quadrático médio relativo deve ser menor que 0.01. Na tabela a seguir está claro que a comparação dos dados experimentais da TPU e os resultados da simulação de fluxo no RWIND não atendem aos requisitos.
| Superfície | q [%] para Wrel = 10 % | q [%] para Wrel = 20 % | e2 [1] |
| Barlavento | 27.3 | 72.7 | 0.035 |
| Lateral Direita | 0.0 | 9.1 | 0.114 |
| Lateral Esquerda | 27.3 | 45.5 | 0.121 |
| Sotavento | 0.0 | 0.0 | 0.118 |
Nos gráficos a seguir, os coeficientes médios de pressão do vento obtidos por meio da simulação RWIND são comparados aos valores médios das séries temporais nos pontos de teste medidos por meio do Banco de Dados Aerodinâmico da TPU. As comparações são realizadas nas superfícies a barlavento, na laterais direita, esquerda e sotavento do edifício.
Os gráficos mostram uma boa concordância na superfície a barlavento. 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 da TPU. No entanto, os gráficos mostrados no site da TPU correspondem aos arquivos de dados apenas no caso da superfície a barlavento.
