Coeficiente de Força e Momento

História de Utilizador

Neste exemplo, vamos calcular o coeficiente médio de força e momento para Universidade Politécnica de Tóquio (TPU) como um exemplo experimental (M0/S0), tal como os aplicáveis ao processo de dimensionamento estrutural baseado na WTG-Merkblatt-M3.

Esta parte dos resultados pertence ao Grupo 1 de acordo com a Figura 2.2 da WTG-Merkblatt-M3:

• G2: Valores absolutos com requisitos de precisão média. A área de aplicação pode incluir parâmetros ou estudos preliminares quando estão planeadas investigações posteriores com maior precisão (por exemplo, ensaio em túnel de vento da classe G3).
• R2: Singular, todas as direções do vento relevantes com resolução direcional suficientemente fina.
• Z1: Valores médios estatísticos, desde que se refiram a processos de escoamento estacionário 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

Ao investigar o comportamento aerodinâmico em diferentes planos, esta comparação visa fornecer uma compreensão mais abrangente da distribuição de forças. Tais perceções são críticas para avaliar a estabilidade global do modelo, o desempenho aerodinâmico e a resposta estrutural sob condições de escoamento. Os perfis de velocidade média e intensidade de turbulência reproduzidos no túnel de vento correspondem aos da Categoria de Terreno IV de acordo com a norma do Instituto de Arquitetura do Japão (AIJ). O expoente de 0,25 citado em algumas figuras foi classificado como um erro tipográfico após consulta. O modelo assumido é mostrado na Imagem 1:

1 Modelo RWIND de exemplo de WTG, parte 9.2

Os pressupostos subjacentes à análise e às simulações estão resumidos na Tabela 1, fornecendo uma visão geral clara dos parâmetros e condições considerados ao longo do estudo.:

Tabela 1: Dados de entrada do modelo retangular 3D

Estudo da Malha Computacional

A Imagem 2 resume um estudo de sensibilidade da malha, mostrando que à medida que a densidade da malha aumenta de 20% para 55%, o coeficiente de força (Cf) aumenta de 0,95 para 1,05 e depois estabiliza. Isto indica que a simulação atinge a independência da malha a 55%, o que significa que um refinamento adicional já não altera significativamente os resultados. A imagem destaca a importância da qualidade da malha para garantir resultados de simulação de vento fiáveis.

2 Análise de sensibilidade da malha

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

• estudo de malha computacional

A Imagem 3 apresenta um diagrama comparando os resultados do RWIND com dados experimentais, no que diz respeito ao traçado de perfis de velocidade do vento normalizados em função da altura. Os resultados mostram uma concordância muito boa.

3 Comparação de perfis de velocidade u/uref em relação à altura

Requisito de Precisão da WTG-Merkblatt

A WTG-Merkblatt M3 fornece dois métodos principais para validar os resultados da simulação. O Método da Taxa de Acerto avalia quantos dos valores simulados P_i correspondem corretamente aos valores de referência O_i 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. Juntos, 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 Tabela 3 mostra uma concordância muito boa para a métrica de validação entre os resultados do RWIND e os dados de referência da WTG para valores de velocidade normalizados. Todos os desvios estão num intervalo aceitável (abaixo de 10%), pelo que a taxa de acerto é obtida q = 100%, e o erro quadrático médio normalizado e² = 0,00001 é extremamente baixo. Estes resultados confirmam que o RWIND reproduz com precisão o perfil de vento de referência e cumpre critérios de validação rigorosos.

Tabela 3: Métrica de Validação para o Perfil de Velocidade

A Imagem 4 ilustra como as zonas de superfície são definidas no RWIND para calcular com precisão os coeficientes de força em cada face de um modelo de edifício exposto ao vento. O modelo 3D, com uma forma retangular simples, tem cada face (frontal, posterior, esquerda, direita e superior) atribuída a uma zona distinta codificada por cores. Estas zonas permitem ao RWIND analisar e calcular separadamente as forças aerodinâmicas e a distribuição de pressão de forma independente para cada superfície. Em vez de colocar numerosas sondas pontuais, optámos por definir zonas de superfície, uma vez que o RWIND pode determinar diretamente o coeficiente de força para cada zona definida.

No centro da Imagem 4, a janela "Editar Zona" está aberta para a Zona N.º 2 – Frontal como exemplo. Esta saída detalhada inclui parâmetros aerodinâmicos chave. A área projetada desta zona na direção do vento é de 0,04 m². A força de arrasto calculada nesta superfície é de 1,7 N, e o coeficiente de força correspondente (C_x) é de 0,56. Na fórmula seguinte, o coeficiente de força do vento (coeficiente de força aerodinâmica) para uma zona de pressão específica é calculado como um exemplo. Este valor pode então ser comparado com o valor exibido no separador Info na caixa de diálogo Editar Dados do Modelo.

4 Resultados para diferentes zonas

A Imagem 5 mostra os resultados de pós-processamento de uma simulação de vento realizada para um edifício alto usando o modelo de turbulência k-omega. No lado direito da imagem, uma tabela de comparação exibe os coeficientes de força obtidos da simulação CFD juntamente com valores de referência da diretriz WTG. A superfície frontal tem um coeficiente de força de 0,562, comparado com a referência WTG de 0,540, o que corresponde a um desvio de 4,07%. A superfície posterior, que está sujeita a pressão negativa devido aos efeitos de esteira, mostra um desvio ligeiramente maior de 6,09%. As superfícies laterais também exibem pequenas diferenças, com desvios variando entre 3,68% e 5,38%. Notavelmente, o coeficiente de força total na direção do vento, representando o efeito de arrasto global, mostra apenas um desvio de 1,95%, destacando a precisão e fiabilidade da simulação CFD na captura do comportamento aerodinâmico global da estrutura.

Os valores de força reais em newtons para cada face do edifício são exibidos abaixo desta tabela. A superfície frontal está sujeita a uma força de arrasto positiva de 1,7 N, enquanto as superfícies posterior, direita e esquerda experimentam forças negativas devido à sucção e arrasto lateral. A força líquida total na direção do vento ascende a 3,2 N, correspondendo à saída de força global indicada no resumo da malha. A simulação utilizou uma velocidade do vento de referência de 11 m/s e uma área de face de 0,04 m².

5 Comparação do coeficiente de força entre o RWIND e o WTG

A Tabela 4 mostra que o RWIND replica com precisão os coeficientes de força média de referência da WTG em todas as superfícies, com desvios variando de 1,95% a 6,09% e q=100% como taxa de acerto. O baixo erro quadrático médio normalizado e2=0,0015 confirma uma forte concordância entre a simulação e as medições, cumprindo eficazmente os padrões de validação.

Tabela 4: Métrica de Validação para Coeficientes de Força Média Entre WTG e RWIND

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Exemplo de WTG – Parte 9.2