Введение
В ветроэнергетике точное моделирование и тщательная валидация жизненно важны для поддержания структурной стабильности и аэродинамической эффективности ветро-чувствительных конструкций, таких как антенны (Изображение 1). Из-за их стройной формы, небольшой массы и значительной высоты, эти конструкции особенно уязвимы к воздействию ветровых нагрузок. Даже относительно слабые ветры могут создавать значительное давление из-за их высокого соотношения площади поверхности к массе. Обеспечение долгосрочной безопасности, стабильности и функциональности антенн требует тщательного проектирования и анализа. Для точного прогнозирования эффектов воздействия ветра инженеры обычно полагаются на испытания в аэродинамических трубах, вычислительные моделирования и проведение замеров на месте. Эффективная оценка и снижение рисков важны не только для предотвращения структурных разрушений, но и для обеспечения бесперебойной работы, особенно в критически важных системах связи и мониторинга. В данном примере валидации исследуется коэффициент силы как для моделирования CFD в RWIND, так и для экспериментального исследования [1] из Университета Райнско-Вестфальского Технического Университета Ахена.
Чтобы преодолеть эти задачи, необходимо тщательно валидировать вычислительные модели, чтобы их прогнозы соответствовали реальному поведению. Ключевой пример — это валидация моделирования ветровых нагрузок на антенны с использованием как экспериментальных испытаний, так и моделирования CFD, что позволяет инженерам точно настраивать модели, повышать точность прогнозов и увеличивать надежность конструкций антенн в различных условиях окружающей среды.
В сотрудничестве с Университетом Райнско-Вестфальского Технического Университета Ахена, ведущим учебным заведением в области инженерии и прикладных наук, проводятся практические исследования на антеннах, подвергнутых ветровым нагрузкам. Объединяя теоретические подходы с эмпирическими данными, исследование нацелено на ликвидацию разрыва между моделированием и реальностью, что способствует созданию безопасных и более устойчивых конструкций антенн. Это исследование подчеркивает важность валидации в ветроэнергетике, демонстрируя, как сотрудничество между академическими кругами и промышленностью может привести к более точным методам моделирования и улучшенной производительности структур в реальных условиях.
Описание
В данном примере валидации исследуется коэффициент силы как для моделирования CFD в RWIND, так и для экспериментального исследования [1] из Университета Райнско-Вестфальского Технического Университета Ахена. Модель представляет собой шесть остроугольных антенн в RWIND, расположенных над решетчатой поверхностью, служащей земляной плоскостью или полом аэродинамической трубы. Модель включает несколько размерных меток в магентовом цвете, указывающих на конкретные измерения: общая высота антенны составляет 0,50 м; её основание поднято на 0,20 м от земли, как показано на Изображении 2.
Входные данные и предположения
Необходимое предположение для моделирования ветра представлено в следующей таблице:
| Таблица 1: Размерное соотношение и входные данные | |||
| Скорость ветра | V | 10 | м/с |
| Высота | h | 0.5 | м |
| Зазор снизу | Зазор | 0.20 | м |
| Плотность воздуха - RWIND | ρ | 1.25 | кг/м3 |
| Направление ветра | θветер | 0o до 360o с шагом 30o | Градус |
| Модель турбулентности - RWIND | Устойчивый RANS k-ω SST | - | - |
| Кинематическая вязкость - RWIND | ν | 1.5*10-5 | м2/с |
| Порядок схемы - RWIND | Второй | - | - |
| Остаточная целевая величина - RWIND | 10-4 | - | - |
| Тип остатка - RWIND | Давление | - | - |
| Минимальное количество итераций - RWIND | 800 | - | - |
| Пограничный слой - RWIND | NL | 10 | - |
| Тип функции стены - RWIND | Улучшенная / Смешанная | - | - |
| Интенсивность турбулентности | I | 3% | - |
Исследование вычислительной сетки
Исследование вычислительной сетки важно в CFD-анализе, поскольку оно напрямую влияет на точность и надежность результатов. Хотя хорошо отлаженная сетка улучшает точность, избыточное уточнение увеличивает вычислительные затраты без значительной выгоды. Поэтому исследования чувствительности сетки помогают найти оптимальный баланс между точностью и эффективностью, позволяя лучше принимать решения с практическим использованием ресурсов. Таблица, расположенная в нижнем правом углу, сравнивает различные плотности сетки в диапазоне от 20% до 35% и их соответствующие коэффициенты силы (Cf).
Для получения дополнительной информации об исследовании вычислительной сетки:
Результаты и обсуждение
Изображение 4 представляет анализ, сравнивающий экспериментальные и смоделированные данные, связанные с коэффициентом ветровой силы, воздействующим на сложную структуру антенн. В центре изображения линейный график иллюстрирует изменение коэффициента силы Cf в зависимости от направления ветра θ, измеренного в градусах от 0∘ до 360∘. Вертикальная ось представляет коэффициент силы Cf, варьирующийся от 0.0 до 1.0, а горизонтальная ось показывает направление ветра с увеличением на 30-градусные интервалы, от 0∘ до 360∘. На графике представлены два набора данных: черная линия с треугольными маркерами обозначает экспериментальные измерения, а зеленая линия с круглыми маркерами представляет результаты моделирования, полученные с использованием RWIND.
Для получения дополнительной информации о том, как рассчитать коэффициент ветровой силы в RWIND:
Изображение 4 также иллюстрирует, что как экспериментальные, так и результаты RWIND следуют близко согласованной тенденции, отражая сильное согласие между двумя методами. В целом, коэффициент силы Cf демонстрирует циклическую модель по мере изменения направления ветра, с явными минимумами при приблизительно 90∘ и 270∘, где аэродинамические силы наиболее слабы. В отличие от этого, максимумы очевидны приблизительно при 0∘, 150∘ и 210∘, указывая на ориентации, при которых шесть остроугольных конструкций антенн подходят к наиболее значимому воздействию ветра. Близкая корреспонденция между экспериментальными и смоделированными данными подтверждает, что RWIND эффективно воспроизводит аэродинамическое поведение антенны, поддерживая среднее отклонение около 5%.
Заключение
В целом, настоящее исследование успешно валидирует численное моделирование ветра путем сравнения его с экспериментальными данными для структуры, состоящей из шести остроугольных антенн. Результаты демонстрируют, что RWIND точно воспроизводит экспериментальные данные по всему диапазону направлений ветра, подтверждая его эффективность в прогнозировании нагрузок на ветер на геометрически сложных, стройных конструкциях. Интеграция данных коэффициента силы, схем конструкции и визуализации поля потока CFD предлагает всестороннюю и последовательную презентацию подхода и ключевых результатов исследования.
Также представлен пример из Университета Райнско-Вестфальского Технического Университета Ахена, который иллюстрирует модели одиночной и трех остроугольных антенн:
