Введение
В области аэродинамики точное моделирование и валидация имеют критическое значение для обеспечения структурной целостности и аэродинамических характеристик различных конструкций, чувствительных к ветру, таких как антенны (Изображение 1). Эти конструкции, часто характеризующиеся их тонкой геометрией, легким весом и значительной высотой, изначально уязвимы к нагрузкам от ветра. Даже умеренные условия ветра могут оказывать значительные силы на такие элементы из-за их большого отношения площади поверхности к массе. Антенны, в частности, требуют тщательного внимания в процессе проектирования и анализа, чтобы обеспечить их устойчивость, функциональность и безопасность на протяжении времени. Аэродинамические испытания в аэродинамической трубе, вычислительные симуляции и полевые измерения обычно используются для точного прогнозирования ветровых давлений и реакций. Правильная оценка и стратегии снижения последствий важны не только для предотвращения структурных повреждений, но и для обеспечения непрерывной эксплуатационной работы, особенно в критичных коммуникационных или мониторинговых приложениях. В текущем примере валидации исследуется коэффициент силы как для вычислительной гидродинамической (CFD) симуляции в RWIND, так и для экспериментального исследования [1] из Университета Рейнско-Вестфальской технической школы Ахена (RWTH Aachen University).
Для решения этих задач необходима строгая валидация вычислительных моделей, чтобы гарантировать, что теоретические прогнозы соответствуют реальной производительности. Один из таких примеров — это валидация симуляций ветровой нагрузки на антенну через экспериментальное тестирование и анализ вычислительной гидродинамики (CFD). Этот процесс позволяет инженерам уточнять свои модели, улучшать точность и повышать общую надежность антенн в различных условиях окружающей среды.
В сотрудничестве с Университетом Рейнско-Вестфальской технической школы Ахена (RWTH Aachen University), ведущим учреждением в области инженерии и прикладных наук, проводятся практические исследования на антеннах, подвергающихся нагрузкам ветра. Объединив теоретические подходы с эмпирическими данными, исследование направлено на устранение разрыва между симуляцией и реальностью, способствуя разработке более безопасных и стойких конструкций антенн. Это исследование подчеркивает важность валидации в инженерии ветра, демонстрируя, как сотрудничество академической среды и промышленности может привести к более точным методам моделирования и улучшенной производительности конструкций в реальных приложениях.
Описание
В текущем примере валидации исследуется коэффициент силы как для вычислительной гидродинамической (CFD) симуляции в RWIND, так и для экспериментального исследования [1] из Университета Рейнско-Вестфальской технической школы Ахена (RWTH Aachen University). Модель представляет три антенные конструкции с острыми краями в RWIND, расположенные над решетчатой поверхностью, которая служит в качестве земли или пола аэродинамической трубы. Модель включает в себя несколько размерных отметок, выделенных пурпурным цветом, указывающих на конкретные измерения: общая высота антенны составляет 0.50 м; ее основание поднято на 0.20 м от земли, как показано на изображении 2.
Входные данные и допущения
Необходимое предположение для симуляции ветра иллюстрировано в следующей таблице:
| Таблица 1: Размерное отношение и входные данные | |||
| Скорость ветра | V | 10 | м/с |
| Высота | h | 0.5 | м |
| Зазор снизу | Gap | 0.20 | м |
| Плотность воздуха - RWIND | ρ | 1.25 | кг/м3 |
| Направления ветра | θwind | 0o до 360o с шагом 30o | Градус |
| Модель турбулентности - RWIND | Устойчивое RANS k-ω SST | - | - |
| Кинематическая вязкость - RWIND | ν | 1.5*10-5 | м2/с |
| Порядок схемы - RWIND | Второй | - | - |
| Целевое значение остатка - RWIND | 10-4 | - | - |
| Тип остатка - RWIND | Давление | - | - |
| Минимальное количество итераций - RWIND | 800 | - | - |
| Приграничный слой - RWIND | NL | 10 | - |
| Тип приграничной функции - RWIND | Улучшенная / Смешанная | - | - |
| Интенсивность турбулентности | I | 3% | - |
Исследование вычислительной сетки
Исследование вычислительной сетки является важным в анализе CFD, так как она напрямую влияет на точность и надежность результатов. Хотя хорошо уточненная сетка улучшает точность, чрезмерное уточнение увеличивает вычислительные затраты без существенных выгод. Поэтому исследования чувствительности сетки помогают найти оптимальный баланс между точностью и эффективностью, позволяя принимать более обоснованные решения с практическим использованием ресурсов. Показанная таблица в нижнем правом углу сравнивает различные плотности сетки, варьирующие от 10% до 30%, и их соответствующие коэффициенты силы (Cf).
Больше информации об исследовании вычислительной сетки:
Результаты и обсуждение
Изображение 4 представляет собой анализ, сравнивающий экспериментальные и симулированные данные, связанные с коэффициентом силы ветра, действующим на антенную структуру. В центре изображения линейный график иллюстрирует изменение коэффициента силы Cf в зависимости от направления ветра θ, измеряемого в градусах от 0∘ до 360∘. Вертикальная ось представляет коэффициент силы Cf, варьирующийся от 0.0 до 1.0, а горизонтальная ось представляет направления ветра с интервалом 30 градусов. На графике отображены два набора данных: черная линия с треугольными маркерами представляет экспериментальные измерения, в то время как зеленая линия с круглыми маркерами представляет результаты симуляции, полученные с использованием RWIND.
Больше информации о том, как вычислить коэффициент силы ветра в RWIND:
График показывает, что как экспериментальные, так и результаты RWIND следуют похожей тенденции, указывая на высокий уровень согласия между двумя методами. В общем, коэффициент силы демонстрирует периодическое поведение, с заметными провалами при направлениях ветра около 60∘ и 180∘, где значения Cf находятся на минимуме. Пики наблюдаются примерно при 0∘, 120∘, 240∘ и 330∘, где конструкция испытывает максимальные силы, вызванные ветром. Близкое совпадение двух кривых иллюстрирует, что RWIND точно захватывает аэродинамическую реакцию конструкции, с сообщенным средним отклонением около 5% от экспериментальных данных.
В целом, текущее исследование эффективно исследует процесс валидации численной симуляции ветра по сравнению с результатами физического эксперимента. Оно показывает, что RWIND очень хорошо воспроизводит экспериментальные данные по различным направлениям ветра, предполагая его пригодность для предсказания ветровых нагрузок на тонкие вертикальные конструкции, такие как антенны. Комбинация графических данных, визуализации конструкции и симуляции потока создает ясное и хорошо завершенное представление методологии и результатов исследования.
Также пример одиночной антенны с острым краем от Университета Рейнско-Вестфальской технической школы Ахена доступен здесь:
