Программы RFEM и RWIND используются для создания модели растянутой мембранной конструкции, позволяющей начать моделирование ветра наряду с выполнением важных критериев. RWIND - это мощный инструмент для создания ветровых нагрузок на общие конструкции и сложные формы. Решатель CFD - это программный пакет OpenFOAM® (версия 17.10), который дает очень хорошие результаты и является широко используемым инструментом для моделирования CFD. Численный решатель является установившимся для несжимаемого турбулентного потока с помощью алгоритма SIMPLE (полу-неявный метод для уравнений, связанных с давлением).
Ветровые нагрузки регулируются специальными стандартами, такими как EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7-16 или NBC 2015. RFEM - это хорошо оснащенное программное обеспечение для создания натяжных мембранных конструкций; в нем рассматривается нелинейный расчет формы преднапряженных поверхностей двойной кривизны. На рисунке 02 представлена числовая схема воздушного потока и моделирование методом конечных элементов для выполнения примера проверки растянутых мембранных конструкций.
Для численного определения уравнений в частных производных необходимо дискретизировать все дифференциальные выражения (производные по пространству и времени). Существует множество методов дискретизации с различными подходами к точности, устойчивости и сходимости. Как правило, порядок дискретизации показывает, насколько точным является численное моделирование по сравнению с решениями исходных недискретизированных уравнений. Численная дискретизация первого порядка в основном обеспечивает лучшую сходимость, чем схема второго порядка. В данном исследовании используется дискретизация второго порядка. Кроме того, при использовании численной схемы второго порядка мы рекомендуем увеличить минимальное количество итераций для достижения лучшей сходимости (Рисунок 03).
Пример проверки:
Для проверки процесса моделирования ветра разрабатывается модель двойной кривизны, как показано в Ссылка [1] Ссылка [2] , и результаты исследуются. Для модели небольшой кривой выбран масштаб 1/25, который совпадает с экспериментальной моделью в ссылке См. [1] , где показана гипаровая кровля 10 м на 10 м на 1,25 м . Небольшой изгиб рассмотрен для проверки на примере с углом θ = 45o. Сила предварительного растяжения для реального масштаба была приложена к поверхности 2,5 кН/м, а механические свойства, такие как модуль Юнга и коэффициент Пуассона, определены как Ex = 1000 кН/м. Ey = 800 кН/м. Gxy = 100 кН/м, vxy = 0,20. Изображение 04 иллюстрирует геометрию модели двойной кривизны. Входная информация и скорость ветра для CFD-моделирования показаны на рисунке 05.
Размер аэродинамической трубы:
Важно отметить, что размер аэродинамической трубы может привести к ошибкам, если размер туннеля меньше, чем у стандартного типа. На следующем рисунке показан стандартный размер аэродинамической трубы Ссылка [3] . Кроме того, результаты чувствительны к размеру сетки, поэтому расчет должен выполняться как минимум для трех различных номеров сетки, а когда результаты достаточно близки к предыдущему этапу, достигается независимость сетки (Рисунок 06).
Вид сбоку на создание сетки модели представлен на рисунке 07; как видно, алгоритм измельчения сетки применяется на близком расстоянии от поверхности модели.
Расчетная сетка:
Результаты моделирования CFD чувствительны к размеру сетки, поэтому независимость сетки должна быть обеспечена по крайней мере для трех различных элементов сетки. Вот результаты значения Cp на центральной линии кровли; как видно, есть очень небольшие различия, которые показывают, что результаты моделирования ветра становятся независимыми от третьей сетки (Рисунок 08).
Расширенная функция стены:
RWIND использует функцию смешанной стенки (BWF), также известную как расширенная функция стены (EWF), которая показывает гораздо лучшие характеристики, чем стандартная функция стены (SWF). Таким образом, как правило, вы можете быть уверены, что получите точные результаты для широкого диапазона чисел y +. BWF не является симметричной функцией. У нас есть сплошная черная линия (как показано на изображении 09), которая представляет собой прямое численное моделирование (DNS), которое мы пытаемся воспроизвести. Сразу видно, что EWF определенно намного ближе к данным DNS, чем SWF. Таким образом, в буферной области между a y + от 5 до 30 EWF определенно намного точнее по сравнению с SWF. Вот почему EWF часто рекомендуется при моделировании CFD Ссылка [4] .
Диаграмма и контур среднего давления для двух моделей турбулентности показаны на изображениях 10 и 11. На основе осевой линии кровли гипара строится диаграмма распределения Cpe и сравнивается с экспериментальным испытанием в аэродинамической трубе. Значение Cp можно определить по следующему уравнению, где P - это давление ветра в измеренной точке, P -эталонное давление (атмосферное давление), ρ - плотность воздуха, а U -эталонная скорость, равная 15,3 м/с.
Как показано здесь, модель турбулентности K-omega показывает лучшие характеристики при прогнозировании коэффициента давления ветра; в текущем исследовании модель турбулентности K-omega улавливает эффекты выхода вихрей при высоком градиенте отрицательного давления ветра лучше, чем модели K-эпсилон. Мы рекомендуем использовать эту модель турбулентности как более точный вариант при взаимодействии ветра и конструкции.
.png?mw=350&hash=e2084835b97f9eb68815b9c0758617db71647821)
.png?mw=350&hash=e3f5898d72f463e9b3e774659aabcb220466c522)
.jpg?mw=350&hash=196d91410dd36f58fcc8b0194f4577bb70cf53c3)
