RFEM и RWIND используются для создания модели натяжной мембранной конструкции, чтобы можно было начать симуляцию ветра вместе с реализацией важных критериев. RWIND — это мощный инструмент для создания ветровых нагрузок на общие конструкции и сложные формы. CFD-солвер — это программный пакет OpenFOAM® (версия 17.10), который дает очень хорошие результаты и является широко используемым инструментом для CFD симуляций. Численный солвер — устойчивое состояние для несжимаемого турбулентного потока, использующий алгоритм SIMPLE (полу-имплицитный метод для уравнений давления).
Ветровые нагрузки регулируются конкретными стандартами, такими как EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7-16 или NBC 2015. RFEM — это хорошо оснащенное техническое программное обеспечение для создания натяжных мембранных конструкций; оно учитывает нелинейный анализ нахождения формы для предварительно напряженных двукриволинейных поверхностей. Изображение 02 представляет собой числовую схему воздушного потока и FEM моделирование для исполнение проверки примера натяжных мембранных конструкций.
Чтобы численно определить уравнения в частных производных, все дифференциальные выражения (пространственные и временные производные) должны быть дискретизированы. Существует широкий диапазон методов дискретизации с различными подходами с точки зрения точности, стабильности и сходимости. В общем, порядок дискретизации показывает, насколько точна численная симуляция по сравнению с решениями исходных не-дискретизированных уравнений. Численная дискретизация первого порядка в основном обеспечивает лучшую сходимость, чем схема второго порядка. В текущем исследовании используется дискретизация второго порядка. Также при использовании числовой схемы второго порядка мы рекомендуем увеличить минимальное число итераций для достижения лучшей сходимости (Изображение 03).
Пример проверки
Для проверки процесса симуляции ветра разработана модель с двойной кривизной, как показано в [1] [2], и результаты исследуются. Масштаб модели с небольшой кривизной выбран как 1/25, который такой же, как и экспериментальная модель в ссылке [3], иллюстрирующая гипарскую крышу 10 м на 10 м на 1,25 м. Маленькая кривизна рассматривается для проверки примера с углом θ=45o. Предварительное напряжение для реального масштаба было применено 2,5 кН/м на поверхность, а механические свойства, такие как модуль Юнга и коэффициент Пуассона, определяются как Ex=1000 кН/м. Ey=800 кН/м. Gxy=100 кН/м, vxy=0,20. Изображение 04 иллюстрирует геометрию модели с двойной кривизной. Входная информация и входные данные скорости ветра для CFD симуляции показаны на Изображении 05.
Размеры аэродинамической трубы
Важно отметить, что размеры аэродинамической трубы могут вызывать ошибки, если размер трубы меньше стандартного типа. Следующее изображение показывает стандартный размер аэродинамической трубы [3]. Также результаты чувствительны к размеру сетки, поэтому вычисления должны выполняться как минимум для трех разных чисел сеток, и когда результаты достаточно близки к предыдущему этапу, достигается независимость от сетки (Изображение 06).
Вид сбоку на генерацию сетки модели представлен на Изображении 07; как видно, алгоритм уточнения сетки применяется на близком расстоянии к поверхности модели.
Изучение сетки вычислительной графики
Результаты в CFD симуляции чувствительны к размеру сетки, поэтому независимость от сетки должна быть выполнена как минимум для трех различных чисел элементов сетки. Здесь представлены результаты значения Cp на центральной линии крыши; как видно, есть очень небольшие различия, показывающие, что результаты симуляции ветра становятся независимыми от третьей сетки (Изображение 08).
Смешанная функция стены
RWIND использует Смешанную функцию стены (BWF), также известную как Усовершенствованная функция стены (EWF), которая показывает гораздо лучшую производительность, чем Стандартная функция стены (SWF). Таким образом, в общем, вы можете быть уверены, что получите точные результаты для широкого диапазона значений y+. BWF не является симметричной функцией. У нас есть твердая черная линия (как показано на изображении 09), которая является Прямым численным моделированием (DNS), которое мы пытаемся воспроизвести. Что вы можете увидеть сразу, так это то, что EWF определенно ближе к данным DNS, чем SWF. Таким образом, в буферной зоне между y+ от 5 до 30, EWF определенно более точна по сравнению с SWF. Вот почему EWF часто рекомендуется в CFD симуляциях [4]. Однако важно подчеркнуть, что RWIND не предназначен для подробного изучения граничного слоя с низкими значениями y+. RWIND разработан как быстрое, приблизительное, практическое решение, предназначенное для инженеров-строителей, которые могут не иметь обширного опыта в CFD и заинтересованы в выполнении промышленных проектов.
Диаграмма и контур среднего давления для двух моделей турбулентности показаны на Изображениях 10 и 11. Основываясь на центральной линии гипарской крыши, диаграмма распределения Cpe построена и сравнивается с экспериментальным испытанием в аэродинамической трубе. Значение Cp можно рассчитать по следующей формуле, где P — давление ветра в измеренной точке, Pref — эталонное давление (атмосферное давление), ρ — плотность воздуха, и Uref — эталонная скорость, равная 15,3 м/с.
Как показано здесь, модель турбулентности K-omega показывает лучшую производительность в прогнозировании коэффициента давления ветра; в текущем исследовании модель турбулентности K-omega захватывает эффекты срыва вихря в высоких градиентах отрицательного давления ветра лучше, чем модели K-epsilon. Мы рекомендуем использовать эту модель турбулентности в качестве более точного варианта во взаимодействиях ветра и конструкции.
