História de Utilizador
Este exemplo apresenta dados experimentais e numéricos para forças aerodinâmicas atuantes em secções transversais de tabuleiros de pontes [1]. Estes dados são amplamente utilizados como referências de padrão 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 envolvendo separação de fluxo, 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 desprendimento de vórtices, galope e flutter.
Comparados com corpos rombudos simples, os tabuleiros de pontes exibem um comportamento de escoamento altamente dependente da geometria. Pequenos detalhes geométricos (por exemplo, nitidez dos bordos, 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. Contudo, uma vez que 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 das correspondentes quantidades aerodinâmicas médias:
- G1: Valores qualitativos com requisitos de baixa 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: Solitário (sem edifícios circundantes), análise de direções de vento individuais importantes.
- Z1: Valores médios estatísticos, desde que estes digam respeito a processos de escoamento estacionários onde as flutuações (por exemplo, devido à turbulência do escoamento de aproximação) podem 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 CD. Com base em simulações CFD de estado estacionário, a força de arrasto média atuante na secção transversal é avaliada e subsequentemente adimensionalizada usando a pressão dinâmica de referência e dimensões características. Isto permite o cálculo de CD e possibilita uma comparação consistente com dados experimentais, bem como a sua aplicação no projeto estrutural.
Para além do coeficiente de arrasto, outros coeficientes globais como a sustentação CL e o momento CM podem também ser avaliados para fornecer uma caracterização aerodinâmica mais completa do tabuleiro da ponte. Contudo, o foco principal permanece na previsão precisa de CD como um parâmetro chave para carregamento na direção do vento.
|
B |
Largura da estrutura |
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Lb |
Comprimento da estrutura |
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U |
Velocidade do vento |
O ponto de partida é a pressão dinâmica do vento, definida como qo=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
| Parâmetro | Símbolo | Valor | Unidade |
|---|---|---|---|
| Velocidade de Fluxo Livre | u | 8.2 | m/s |
| Altura de Referência | Href | 180 | mm |
| Massa Volúmica do Ar – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m³ |
| Modelo de Turbulência – RWIND | RANS K-Omega | - | - |
| Viscosidade Cinemática – RWIND | ν | 1.5×10⁻⁵ | m²/s |
| Ordem do Esquema – RWIND | Segunda | - | - |
| Valor Alvo Residual – RWIND | 10⁻⁴ | - | - |
| Tipo de Residual – RWIND | Pressão | - | - |
| Número Mínimo de Iterações – RWIND | 800 | - | - |
| Camada Limite – RWIND | NL | 10 | - |
| Tipo de Função de Parede – RWIND | Padrão | - | - |
Estudo de Malha Computacional
A Figura 2 apresenta uma análise de sensibilidade de malha de um modelo cilíndrico no RWIND. O coeficiente de força calculado (Cf) diminui ligeiramente de 0.76 para uma densidade de malha de 15% para 0.71 a 25%, e posteriormente 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 no Cf em densidades de malha mais altas demonstra convergência global, sugerindo que refinamentos adicionais têm apenas um impacto menor nos resultados.
O estudo de malha computacional também precisa de ser realizado de acordo com a seguinte ligação:
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 (Hit Rate) 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) (Normalized Mean Squared Error) 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.
Resultados e Discussão
A Figura 3 ilustra a distribuição de pressão à superfície e as forças aerodinâmicas integradas numa placa quadrada bidimensional. A simulação é realizada com uma velocidade de fluxo 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 distribuições de pressão, integrar 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 CD = 0.073 com base numa área de referência de 0.648 m². Adicionalmente, 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, cálculo de força integrada e avaliação do coeficiente aerodinâmico utilizados para fins de validação.
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 reportadas 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 em −10° e 10°, com desvios de 5.30% e 2.56%, respetivamente. Discrepâncias maiores são observadas em −5° e 5°, enquanto o caso 0° permanece dentro do critério de aceitação de ±20%. No global, 40% dos casos satisfazem o critério de ±10%, enquanto 60% satisfazem o critério de ±20%.
Tabela 2: Comparação do Coeficiente de Pressão (Cp) Entre o RWIND e os Dados Experimentais
| Ângulo | Cp – Experimental (Oi) | Cp – RWIND (Pi) | Pi-Oi | Desvio (%) | Taxa de Acerto ≤10% | Taxa de Acerto ≤20% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| -10 | 0.132 | 0.125 | -0.007 | 5.30 | 🟢 | 🟢 |
| -5 | 0.102 | 0.062 | -0.040 | 39.22 | 🔴 | 🔴 |
| 0 | 0.088 | 0.073 | -0.015 | 17.05 | 🔴 | 🟢 |
| 5 | 0.099 | 0.062 | -0.037 | 37.37 | 🔴 | 🔴 |
| 10 | 0.117 | 0.114 | -0.003 | 2.56 | 🟢 | 🟢 |
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 é baseada em 5 pontos de dados, resultando numa Taxa de Acerto de 40% dentro de um desvio de ±10% e 60% dentro de ±20%. O erro global de previsão é quantificado por um Erro Quadrático Médio Normalizado (NMSE) de 0.00093, um Erro Médio (ME) de −0.0204, indicando uma ligeira subestimação global 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 global da precisão preditiva e do viés do modelo CFD em relação às medições experimentais.
Tabela 3. Métricas de Desempenho Estatístico da Validação do RWIND
| Métrica | Valor |
|---|---|
| Número de Pontos de Dados (N) | 5 |
| Taxa de Acerto (10%) | 40% |
| Taxa de Acerto (20%) | 60% |
| Erro Quadrático Médio Normalizado, e² | 0.0551 |
| Erro Médio (ME) | -0.0204 |
| Erro Absoluto Médio (MAE) | 0.0204 |
| Raiz do Erro Quadrático Médio (RMSE) | 0.0254 |
A Figura 4 compara o coeficiente de arrasto (CD) obtido a partir de medições experimentais e simulações 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 captura com sucesso o comportamento aerodinâmico global, mas subestima consistentemente o coeficiente de arrasto, particularmente nos ângulos intermédios (±5°), enquanto mostra boa concordância nos ângulos extremos (±10°). No global, 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 próxima da parede possam aumentar a sua precisão quantitativa.
