В нашей статье описывается моделирование вихревой дорожки Кармана в программе RWIND.
В некоторых диапазонах чисел Рейнольдса за узкими высокими объектами образуется дорожка вихрей. Эти вихри могут оказывать влияние на ветровые нагрузки на окружающие здания, особенно в районах с большим количеством высотных зданий и тенденцией узких небоскребов. Ниже показано вихреобразование в зависимости от числа Рейнольдса согласно [1].
Хорошо известная вихревая дорожка образуется при числе Рейнольдса, равном около 100. Когда число увеличивается, поток становится турбулентным. До сих пор удовлетворительные результаты были достигнуты только в случае слишком высокого диапазона чисел Рейнольдса. Ниже приведен пример, в котором Re = 10e7.
Следовательно, скорость на входе должна быть намного выше расчетной, для того, чтобы вызвать требуемое состояние. Теоретически может быть найдена точная предельная скорость, но для этого потребуется много отдельных моделей (например, с линейно увеличивающимся профилем ветра), от которых по причинам временных затрат мы отказались. Кроме того, частота образования вихрей не соответствует теории. Поскольку частота образования вихревого следа зависит от числа Струхаля и, следовательно, от входной скорости потока, такого состояния следовало ожидать.
Вероятно, наиболее важным фактором, влияющим на правильное формирование вихревой дорожки, является плотность сетки. В целях экономии ресурсов плотность сетки в RWIND уменьшается за счет увеличения расстояния от анализируемого объекта в аэродинамической трубе. Это упрощение очень полезно для отдельных зданий, но затрудняет моделирование вихревой дорожки Кармана. Поэтому измельчение сетки имеет смысл, например, для сечения по высоте конструкции по всей длине аэродинамической трубы, начиная с ширины конструкции. Эффект от такого измельчения показан ниже.
В контексте настоящего анализа не было учтено, в какой степени измельчение сетки влияет на предельное давление на окружающие здания. Это требует дальнейшего анализа с помощью моделирования.
Благодаря адаптированной расцветке и усовершенствованной сетке, получим следующий рисунок. Слегка наклонный обзор позволяет лучше различить разные оттенки красного.
Что интересно, так это направление векторов скорости. Наибольшая турбулентность непосредственно за конструкцией показывает предпочтительное хаотическое распределение векторов направления, чего можно было бы ожидать от вихря. Однако более мелкие вихри на большем расстоянии от конструкции не проявляют таких свойств. Хотя изображение распределения абсолютных скоростей в ложных цветах может указывать на вихри меньшего размера, все векторы направления указывают в направлении притока. С точки зрения механики жидкостей, такие свойства абсурдны, но конкретную причину этого установить невозможно.
Дальнейшая оптимизация вихревой дорожки была бы возможна с помощью еще одного дальнейшего измельчения сетки. Также возможно, что большее измельчение может исправить аномалию векторов направления. Однако это отражается в значительно более высоких требованиях к памяти и вычислительным ресурсам. Было бы желательно измельчить сетку как можно больше, но только при необходимости. Для этого лучше всего подойдет верхняя треть цилиндра, включая достаточное расстояние до верхних узлов.
В целом смоделированная вихревая дорожка показывает относительно хорошие результаты в отношении скорости и, следовательно, профиля давления. В деталях, таких как распределение векторов направлений и частота излучения, подход, представленный в нашей статье, вероятно, не работает из-за ограничений самого решателя. Желательно повторить этот расчет с последними версиями RWIND.
[1] Изображение для вихревой улицы Кармана и числа Рейнольдса
.png?mw=350&hash=e3f5898d72f463e9b3e774659aabcb220466c522)